기존의 백금 촉매 대체가능한 로듐 합금 촉매 개발,

연료전지 상용화 기대
전자레인지(극초단파)의 원리 응용 친환경·초간편 양산 촉매 기술
 

<그림> 로듐 합금 나노 입자 표면에서의 전기화학적 반응 모식도

알칼리 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의한 전기 에너지 발생 과정에서 물만 배출하여 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 알칼리 연료전지는 1960년대부터 우주발사체 전원 등에 이용되어 왔으며, 에너지 발생을 위한 나노 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 및 팔라듐 기반의 합금 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다. 최근 국내 연구진이 고가의 백금 대신 로듐(Rh, rhodium) 합금을 간편히 제조하여 연료전지 성능을 향상시키는데 성공했다고 밝혔다.  

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 서울대학교 기초과학연구원 나노입자연구단 성영은 교수와의 공동연구를 통해, 최근 전 세계적으로 차세대 연료전지로 각광을 받고 있는 고체 알칼리막 연료전지에 사용가능한 고성능 비백금계 로듐기반 나노 촉매를 개발했다고 밝혔다. 일반적으로 알칼리 연료전지에는 에너지 발생의 핵심 역할을 하게 되는 나노 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 및 팔라듐 기반의 합금 나노 입자를 사용해왔으나, 높은 의존도 문제와 더불어 소재 자체의 안정성에 대한 한계가 제기되어 왔다. 연료전지용 소재는 장시간 산화 환경에 노출되기 때문에 소재의 안정성 및 내구성에 대한 엄격한 수준의 소재 기술이 요구되므로 촉매 전체의 내구성을 감소시키는 백금 및 팔라듐 합금은 치명적인 단점이 있었다.  이에 연구진은 소재 안정성이 뛰어나지만 성능이 낮은 것으로 알려진 로듐에 대해 연료전지용 촉매 연구를 진행한 결과, 로듐과 주석 합금 나노 입자가 연료전지의 전기화학적 산소 환원 반응에 있어서 우수한 특성을 갖는다는 것을 밝혀냈다. 현재까지 연료전지 촉매 분야에서 로듐은 백금의 보조 촉매 수준으로 사용되어 왔으나, 나노미터(nm) 수준에서의 재료의 표면 제어 기술을 사용하게 되면 고안정성 및 고활성 연료전지용 촉매 소재로 활용 가능하다는 것이 증명되었다. 연구진은 로듐과 주석의 합금 구조가 표면의 구조 변화로 활성점이 증대되면서 이용률이 상승하여 로듐 입자 대비 10배 이상 성능이 향상되고, 기존 백금 촉매 대비 4배의 성능이 향상됨을 밝혀냈다. 특히 개발된 촉매는 기존 합성법이 적게는 12시간, 많게는 48시간 소요되던 것과 달리, 일반 가정에서 사용하는 전자레인지와 동일한 원리(극초단파, micro wave)를 이용하여 10분 내에 간편히 제조할 수 있는 기술로 개발되었다. 기존 연료전지용 소재 합성법과 달리 화학 첨가물 투입 및 추가 공정 과정이 배제되기 때문에, 신속한 소재 제조 기술 및 공정 단순화 기술 결합이 가능하였다. 그러므로 시간당 촉매 제조 생산량이 높아 향후 소재 생산 공정에 있어서도 상업적 장벽을 크게 완화시킬 것으로 전망된다. KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 연료전지용 촉매 성능 향상 뿐 아니라 기존 연료전지용 촉매에 대한 한정적 선택 환경을 극복하고 새로운 소재의 촉매 설계가 가능해졌다는 점이 핵심”이라 말하며, “향후 차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 공정 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구 의의를 밝혔다.

 

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 신재생에너지핵심기술사업 한국연구재단, 산업통상자원부 지원으로 수행되었으며, 촉매 분야의 국제 학술저널인 미국화학회 촉매지(ACS Catalysis, IF : 10.614)에 9월 1일 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) Rhodium–Tin Binary Nanoparticle—A Strategy to Develop an Alternative Electrocatalyst for Oxygen Reduction
     - (제1저자) 한국과학기술연구원 안민제 박사(post-doc)
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 서울대학교 성영은 교수

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화학용액 침투공정으로 고온에서 나노 촉매를 합성하는 매커니즘 규명
나노 촉매 접합된 전극으로 향상된 성능의 가역 고체산화물전지 상용화 기대

 

가역 고체산화물전지(Reversible Solid Oxide Cell, RSOC)*는 수소를 연료로 하여 전기를 생산하고, 물을 전기로 분해하여 수소를 생산하는 에너지 저장기능을 단일 시스템에서 동시에 수행 가능하여 미래 청정에너지 기술로 큰 기대를 받고 있다. 최근 국내 연구진이 전력과 수소 생산이 가능한 고온에서 작동하는 가역 고체산화물전지의 성능과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 나노 촉매 기술을 개발했다고 밝혔다.
*가역 고체산화물전지 : 수소와 같은 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지 반응과 물을 수소와 공기로 분리시키는 전해반응이 합쳐진 고체산화물로 이루어진 에너지 변환장치.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 윤경중 박사팀은  고온에서 안정된 구조를 유지할 수 있는 나노 사이즈의 촉매를 개발하였고, 이를 가역 고체산화물전지에 적용하여 전력 생산과 수소 생산의 효율과 장기 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 현재 다양한 분야에 적용되고 있는 나노 소재 기술이 가역 고체산화물전지의 성능향상을 위해 접목되는 연구가 주목받고 있다. 하지만 가역 고체산화물전지는 700도 이상의 높은 온도에서 작동하고, 이러한 고온의 환경에 나노 소재가 노출될 경우 화학적, 구조적 변형이 발생한다. 따라서 고성능 및 안정성 확보가 매우 어려워져 이 분야에 나노 기술을 적용하는 것은 한계가 있었다.

KIST 윤경중 박사팀은 나노 촉매의 형상과 크기, 분포를 정확히 조절할 수 있는 화학용액 침투공정을 개발하여 이 문제를 해결하였다. 온도가 높아지는 과정에서 화학용액으로부터 나노 촉매가 형성되는 메커니즘을 규명하고, 화학적·구조적 특성을 결정하는 단계들을 제어하여 700도 이상의 고온에서도 안정적인 나노 촉매가 접합된 고성능 전극을 제조하였다. 연구진은 일반적인 화학용액 침투 공정과 달리 용액의 건조가 일어나기 전에 화학적으로 침전을 일으키고 침전물을 전극 표면에 부착시키는 기술을 개발하여 건조되는 과정에서 발생되는 불확실성을 제거하고 나노 촉매의 분포와 크기를 정확히 제어할 수 있었다. 연구진이 최적의 나노 전극 구조를 구현한 결과, 기존 전극이 적용된 연료전지에 비하여 전력생산은 1.5배, 수소 생산량은 2배 이상 향상되었고 장시간동안 나노소재의 변형으로 인한 성능 감소가 전혀 발생하지 않는 안정적인 특성을 나타내는 것을 규명했다.  KIST 윤경중 박사는 “이번 나노 촉매 기술 개발과 구현된 고성능 전극으로 다양한 나노 기술들이 고온에서 안정적으로 사용될 수 있는 플랫폼을 제공할 것이며, 가역 고체산화물전지의 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 것으로 예상된다.”라고 말하며, “이는 미래 신재생 에너지 시스템의 중추적인 역할을 하게 될 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

 

 

<그림 1> 나노촉매 제조 과정 (좌측), 나노 촉매가 접합된 전극 구조 (우측)

연구진은 향후 에너지 저장과 전력 생산이 가능한 가역 고체산화물전지를 신재생 에너지원과 결합한 하이브리드 시스템을 구축하여 온실가스 감축과 수소 경제 시대 구현에 기여할 것으로 전망하고 있다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 산업부 에너지기술평가원 에너지기술개발사업으로 수행되었으며 연구결과는 나노에너지(IF : 11.553)에 4월 18일(화) 온라인 게재되었다.

 

* (논문명) Nano-tailoring of infiltrated catalysts for high-temperature solid oxide regenerative fuel cells

          - (제1저자 및 교신저자) 한국과학기술연구원 윤경중 책임연구원

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한국미래기술교육硏, 11월 11일 미래형 자동차를 위한 고효율 에너지 소재 및 시스템 기술 세미나 개최

 

미래기술교육연에서 개최한 세미나에 우리 KIST의 유성종 박사님이 발제를 하셨습니다. 내용은 ·저가형 촉매 원천기술 개발 기술 - 저렴한 니켈계 촉매, MEA 백금 저감 기술 관련된 것인데요, 지난 빼빼로 데이에 개최된 세미나 소식!! 아래 링크에서 확인해보세요

 

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 - 고가의 귀금속 촉매 대체할 저렴한 니켈계 촉매 사용으로 수소에너지 경제성 향상
 - 친환경 물 분해과정을 통한 수소에너지 상용화 및 보급화에 기여

 

  친환경에너지인 수소를 만들기 위해 전 세계적으로 다양한 연구가 진행 중이다. 국내 연구진이 물의 전기분해방법으로 수소를 만드는 데 필요한 촉매의 원료를 저렴하고 내구성이 높은 니켈계 화합물로 제작하는 기술을 개발했다. 기존에 사용했던 고가의 귀금속 촉매 비용보다 약 100배 저렴하고 성능은 거의 동일하여 수소 에너지 상용화에 한발짝 더 가까워질 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사와 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 물 분해를 통한 수소 발생 반응과정에서 고결정성 인화니켈 나노선 화합물을 전극 촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 낮추면서 내구성이 높고 성능이 뛰어난 새로운 촉매를 개발하는데 성공했다고 밝혔다.  수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다. 하지만 상용화를 위해서 몇 가지 걸림돌이 있다. 첫째로 현재 많이 사용되고 있는 수소에너지 발전 방식은 물의 전기분해를 통해 수소를 발생시키는 ‘수소 스테이션’ 방법이다. 이 방법은 고순도의 수소를 환경파괴 없이 생산할 수 있지만 웬만한 건물 크기에 맞먹는 대용량 수조가 필요해 도심의 에너지 공급원으로 사용하기 위한 전극의 소형화가 필요하다. 둘째, 전지의 +극인 산소 발생용 전극 재료로는 이리듐 및 루테늄 계열의 귀금속 촉매가, -극인 수소 발생 전극 재료로는 백금이 각각 사용되고 있는데 비용이 높기 때문에 이를 대체하는 값 싼 재료의 개발이 요구된다. 셋째, 현재까지는 백금 촉매가 물을 수소로 전환시키는데 가장 효과적이라고 알려져 있었지만 비싼 가격과 낮은 안정성 문제 때문에 한계에 봉착해 있었다. 니켈계 금속 또는 화합물 촉매의 경우는 백금 촉매에 비해 과전압이 많이 필요로 하여, 가격적인 면의 이점(백금 가격의 1/100)에도 불구하고 주목을 받지 못하고 있었다.

  연구팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 고효율, 저가형 촉매 제조를 위해 니켈계 화합물의 일종인 인화니켈의 고효율 반응 가능성에 주목하였다. 이에 연구팀은 양자역학 계산기법을 활용, 인화니켈을 나노선(nanowire)으로 성장시키는 기술을 개발하였다. 연구팀이 개발한 단결정 인화니켈 나노선은 표면에서 니켈 금속과 인의 강한 상호 작용을 통해 니켈금속의 전자 구조를 변형시켜 수소 발생 반응을 극대화시켰음을 보여주었으며 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 싱크로트론 X-ray로 세계 최초로 밝혔다. 이는 또한, 물로부터 수소를 발생시키는 경우 니켈계 금속 촉매에서 필요한 과전압보다 60% 더 낮은 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여줌과 동시에 뛰어난 내구성으로 높은 전류와 전압조건에서 운행된 12시간 동안의 물 분해 실험에서 성능이 거의 감소되지 않았다. 이 실험은 새로운 촉매가 기존의 니켈 산화물 촉매와 귀금속계 촉매보다 내구성이 우수함을 입증한 것이다. 특히 인화니켈 나노선 촉매는 단위 면적당 높은 반응성을 보여 현재까지 보고된 니켈계 촉매들의 성능 중 최고 수준이다.

  KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지로서 물을 수소와 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화는 중요한 이슈가 되고 있다.”라며, “그런 의미에서 이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의의가 있다”고 말했다.


  본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부(장관 최양희)의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 그리고 한인도협력센터 GKP (Global Knowledge Platform) 사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 Nano Energy (IF: 11.553) 8월호에 게재되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 및 해외 특허 출원도 진행 중에 있다.

 

     * (논문명) Rationalization of electrocatalysis of nickel phosphide nanowires for efficient

                    hydrogen production
      - (제1저자) 한국과학기술연구원 정영훈 박사
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 이승철 박사

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