중앙대, 고분자 전해질 연료전지용 고효율 산소환원촉매 개발

이산화티탄 나노튜브 촉매 개발 성공

남인호 중앙대 화학신소재공학부 교수. [사진=중앙대 제공]

중앙대 남인호 교수 연구팀이 신·재생 에너지로 주목받는 고분자 전해질 연료전지에 사용 가능한 이산화티탄(TiO₂) 나노튜브 촉매를 개발하는 데 성공했다. 이번 성과로 고분자 전해질 연료전지의 상업적 활용 가능성이 한층 커질 것으로 기대된다.

중앙대는 남인호 화학신소재공학부 교수 연구팀이 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에 적용 가능한 고효율 산소환원반응(ORR) 촉매를 개발하는 데 성공했다고 5일 밝혔다.

연료전지는 신·재생 에너지 중 하나로, 수소와 산소 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술을 의미한다. 전기에너지를 저장해 사용하는 기존 전지와 달리 연료전지는 연료를 소모해 직접 전력을 생산한다. 여러 연료전지 기술 중에서도 고분자 전해질 연료전지는 저온 작동과 고출력 밀도 같은 특징을 지니고 있다. 이 때문에 가정·상업용으로 활용 가능성이 기대되는 기술이다.

일반적으로 연료전지에는 반응속도, 에너지 변환효율을 높이기 위해 양극 또는 음극 표면에 귀금속을 활용한 촉매 층을 설치한다. 이런 촉매의 반응성·선택성 등을 향상하기 위해 사용되는 물질을 담지체라 부른다. 연구팀은 최소한의 백금(Pt)을 사용해 고효율 산소환원반응 촉매 활성을 최대화할 수 있는 이산화티탄 나노튜브 담지체를 개발했다.

연구팀은 담지체 내 금속 원자의 치환 방법을 활용해 나노튜브의 원자 구조를 정밀하게 제어함으로써 촉매 효율을 극대화했다. 또한 양자역학 전산모사 연구를 해 담지체의 격자 구조 수축을 통해 성능이 높아지고 안정성이 최대화될 수 있음을 규명했다.

본래 고분자 전해질 연료전지의 구성요소 가운데 전기화학 반응이 일어나는 전극은 제작비용을 높이는 단점이 있다. 고가의 백금 촉매를 활용하는 것 외에는 뾰족한 방법이 없기 때문이다. 공기극에서의 낮은 산소환원반응 속도가 전체 성능 저하에 큰 영향을 미치는 탓에 고활성 산소환원반응 촉매의 개발도 요구됐다.

남 교수는 "이번에 개발한 백금-이산화티탄 나노튜브 촉매는 격자 구조 조정을 통해 기존 백금-탄소 촉매에 비해 더욱 높은 성능을 보이는 것이 장점"이라고 말했다. 이어 "4000회 이상 장기 구동 시에도 높은 내구성이 확보되는 것을 확인했다"며 "상업적 수준에 근접한 고분자 전해질 연료전지용 촉매 개발의 기반을 확립한 것으로 보인다"고 덧붙였다.

이번 연구 상세 내용은 남인호 교수 연구팀이 한정우 포항공대(POSTECH·포스텍) 교수팀과 공동으로 발표한 '백금·이산화티탄 결정구조의 격자수축제어를 통한 고효율 산소환원촉매 개발' 논문에서 확인할 수 있다. 해당 논문은 화학·에너지 분야 저명 학술지인 '케미칼 엔지니어링 저널'에도 온라인 게재됐다.

박상규 중앙대 총장은 "공해와 소음이 없고 높은 에너지 효율을 갖는 연료전지는 경제성과 지구 환경 보호 측면에서 인류에게 꼭 필요한 기술"이라고 밝혔다. 이어 "이번 연구 성과가 기후변화 위기에 대응하는 계기가 되길 바라며 더 발전된 연구 성과가 나올 수 있도록 지속해서 관심을 가질 것"이라고 덧붙였다.