[월간수소경제 편집부] 미국 브룩헤이븐국립연구소와 아칸소 대학이 에탄올을 연료전지 원료로 사용할 수 있도록 하는 고효율 촉매를 개발해 업계의 이목이 집중되고 있다.

FuelCellsWorks의 보도에 따르면 브룩헤이븐국립연구소 측은 지난 8일(현지시간) 지아 왕(Jia Wang) 교수팀이 에탄올에서 전기를 추출할 수 있는 고효율 촉매를 개발했다고 밝혔다.

지아 왕은 “에탄올을 연료전지 원료로 사용할 수 있게 만드는 이 촉매는 연료전지계의 게임체인저(GameChanger)”라며 “에탄올 연료전지는 배터리형 연료전지에 비해 가볍고 상공 급유가 가능함에 따라 무인 항공기 등 액체연료전지 구동 분야에서 무궁무진한 응용 가능성을 갖추고 있다”고 밝혔다.

에탄올이 전기 산화할 때 에탄올 1분자 당 12개의 전자를 생성할 수 있다. 때문에 적시에 탄소-탄소 결합을 끊는 것이 관건이나 지금까지 에탄올 산화 촉매는 탄소와 탄소의 결합을 끊지 못해 적은 양의 전자만을 생성하는 데 그쳤다. 또 수소 결합 진행 초기에 분해해 탄소 원자를 일산화탄소 형성에 노출시킴에 따라 촉매의 기능 마저 무력화됐다. 

이번 연구는 탄소와 탄소 결합을 초기에 분해하고 수소 결합을 유지해 12개 전자의 완전한 산화를 이끌어 내는 촉매를 발견했다는 것이 핵심이다. 새로운 촉매는 독특한 코어-셀 구조의 반응 요소를 결합해 완전 산화를 가속화한다. 

이번 프로젝트에 객원 과학자로 참여한 아칸소 대학의 징이 첸(Jingyi Chen) 교수는 “백금과 이리듐이 금 나노 입자 표면에 형성한 단원대의 섬(monatomic island) 효과를 통해 탄소-탄소 결합을 절단하고 적절한 시기에 수소 원자를 제거한다”고 말했다. 

논문 제1저자이자 스토니 브룩대학의 대학원생으로 연구 중인 지시우 리앙(Zhixiu Liang) 연구원은 지아 왕 교수의 연구실에서 촉매의 효과적인 에너지 전환 효율 방법을 연구했다. 리앙은 ‘원위치 적외선 반사 흡수 분광법’을 활용해 금 코어와 백금-쉘 촉매 및 백금-이리듐 합금 촉매의 에탄올 반응을 비교했다. 

원위치 적외선 반사 흡수 분광법은 적외선이 각 단계에서 흡수될때 생성되는 스펙트럼을 측정해 각 단계에서 형성된 에너지의 양을 측정하는 방법이다. 리앙은 "스펙트럼 비교를 통해 새로운 촉매가 에탄올 12개 전자의 완전 산화를 이끈다"고 발표했다. 

지아 왕 교수는 "이제 연구진은 에탄올과 새로운 촉매를 포함하는 장치를 설계하는데 주력하고 있다"고 전했다.