[월간수소경제 성재경 기자] 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 연료전지연구실 박구곤 박사 연구진은 미국의 브룩헤이븐국가연구소, 센트럴 미시건 대학과의 공동연구를 통해 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금 사용량을 줄이고 수명을 크게 늘릴 수 있는 코어(core)-쉘(shell) 구조 촉매 기술을 개발하는 데 성공했다. 

코발트(코어)를 백금(쉘)으로 감싼 구조의 촉매 기술을 통해 기존 상용 백금 촉매 대비 성능은 2배, 내구성은 5배가 향상됨을 확인했다. 

이번 연구 결과는 미국화학회에서 발행하는 화학 분야의 세계적 학술지인 ‘에이씨에스 카탈리시스(ACS Catalysis)’의 5월 7일자 표지논문으로 게재됐다.

연구진은 초음파 합성법을 통해 저가의 코발트로 구성된 코어 물질 위에 백금이 원자 형태로 1~2개 층을 이뤄 감싸고 있는 코어-쉘 ‘코발트-백금’ 합금촉매를 개발했다.

2~3단계의 복잡한 공정을 거치는 구리 저전위도금법(Cu UPD) 대신 초음파 기반 반응공정을 통해 간단하게 코어-쉘 구조의 전극촉매를 제조한 것이 특징이다. 

연구진은 이 같은 간단한 방법으로 코발트-백금 합금촉매를 한 번에 5g 이상 제조했으며, 현재 50g 수준의 제조 시에도 우수한 재현성을 확보할 수 있음을 입증했다.

또한 전이금속의 용출문제를 해결하기 위해 세계 최초로 촉매 제조에 ‘가압 질화’ 공정을 도입했다. 연구진은 분자 역학 시뮬레이션을 활용해 열처리하는 동안 다양한 압력(1, 40, 80기압) 조건의 암모니아 가스 분위기에서 촉매 입자들이 서로 응집되는 과정, 암모니아에서 유래한 질소가 코발트 코어물질로 도입되는 질화과정에 대한 이론적인 메커니즘을 규명했다.

전자현미경, 원소 분석, X-선 광전자 분광법 분석 결과를 바탕으로 질화과정에서 압력이 증가할수록 코발트 코어의 질화 수준이 증가하고 이로 인해 코어-쉘 전극촉매가 지닌 내구성도 비례해서 향상됨을 확인했다. 

질화 수준이 가장 높은 코어-쉘 코발트-백금 합금촉매의 경우, 상용 백금 촉매 대비 성능은 2배, 내구성은 5배 이상 향상됨을 확인했다. 

이는 곧 팔라듐 같은 귀금속 코어물질을 쓰지 않고도 백금 사용량을 극소화하면서 성능과 수명을 크게 증대시킬 수 있음을 의미한다.

이번 연구에서 개발한 CoN@Pt/C 전극촉매는 미국 에너지부(DOE)의 가속열화성능평가 기준인 3만 사이클을 넘어 100만 사이클의 수명평가에서도 코어-쉘 구조와 상당 부분의 활성면적을 유지하는 장기 안정성을 보였다.

연구 책임자인 박구곤 박사는 “간단한 초음파 공정 및 가압 질화 공정을 통한 코어-쉘 전극촉매 제조 기술은 본격적인 연료전지의 상용화를 앞두고 있는 시점에서 가격 경쟁력 확보를 위한 필수 원천소재 기술이 될 수 있을 것”이라고 말했다.