▲ 백금을 대체할 촉매 물질을 발견한 헥토르 D.아브루냐 교수.(사진=코넬대학교)

[월간수소경제 박상우 기자] 수소연료전지의 전극 촉매에 쓰이는 백금을 대신할 수 있는 비귀금속 유도체 부류가 발견됐다.

미국의 코넬대학교는 지난 3일(현지시각) 예술과학대학 화학생물학과 연구진이 적은 비용으로 백금과 마찬가지로 연료전지 반응을 촉매할 수 있는 비귀금속 유도체 부류를 발견했다고 밝혔다.

연료전지의 중요한 부분은 산소환원반응(ORR)이다. ORR은 활성화가 어려운 반응이자 연료전지의 효율을 결정하는 반응이기도 하다. 이 ORR을 활성화하고 효율을 높이는 데 백금 등 일부 특별한 금속만이 쓰인다.

이 때 사용되는 백금은 전기를 전도하고 가장 변덕스러운 반응을 촉매하며 연료전지의 가혹하고 산성인 환경에서 살아남을 수 있을 만큼 충분히 견고하다. 

그러나 백금은 희소성이 높고 가격이 비싸 연료전지 생산비용 상승의 가장 큰 요인이 되고 있다. 이 때문에 연료전지 관련 업체들은 백금을 대체할 수 있는 촉매를 개발하거나 물질을 찾고 있다.

이런 가운데 최근에 보다 용이한 알칼리성 연료전지가 두각을 나타내면서 한때 산성환경에 취약하다고 여겨졌던 저렴한 금속이 차세대 연료전지에서 백금을 대체할 수 있다는 가능성이 제기되고 있다.

이에 코넬대 연구진은 전기를 전도하고 백금처럼 효율적으로 ORR을 촉매할 수 있는 알칼리성 연료전지에 맞는 저렴한 물질을 개발하기 시작했다. 

연구진은 코발트, 망간, 철 등 기타 전이 금속에서 파생된 화합물인 TMN이 전기를 전도하며 공기에 노출되면 화학 반응을 촉매하는 완벽한 표면을 제공하는 산소 기반의 얇은 외피를 형성하는 경향이 있다는 것을 발견했다.

이어 연구진은 전도성 질화물 코어와 반응성 산화물 외피를 가진 TMN 제품군을 합성한 후 수소연료전지에서 각 후보 촉매를 테스트했다. 

그 결과 망간과 철을 기반으로 한 후보들이 강한 모습을 보였다. 특히 질화코발트 촉매는 백금과 거의 동일한 효율을 내는 데다 475배 저렴하다.

연구진이 이번에 발견한 물질이 백금을 대체할 수 있다면 수소연료전지 보급이 확대될 것으로 보인다.

이번 연구를 주도한 헥토르 D.아브루냐 교수는 “수소연료전지는 매우 강력해 기존 엔진에는 없는 효율성으로 작동할 수 있다”라며 “이 모든 것을 가능하게 하는 안정적이고 저렴한 촉매를 설계하는 것”이라고 밝혔다.

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