국내 연구진이 원자단위에서 연료전지에 들어가는 촉매의 용출과 상전이 현상을 최초로 규명하는데 성공했다. 고성능 촉매 개발에 한걸음 다가선 성과라는 평가다.

포스텍(총장 김무환)은 화학공학과 한정우 교수, 박사과정 김경학씨 연구팀이 UNIST 김건태 교수 연구팀과 공동연구를 통해 연료전지에 들어가는 촉매 물질인 ‘PBMO’가 페로브스카이트 구조에서 층상구조로 변함과 동시에 나노입자가 표면으로 용출되는 메커니즘을 밝히고 전극 및 화학 촉매로서의 가능성을 확인했다고 3일 밝혔다.

연료전지는 물의 전기분해 역반응을 통해 전기와 열을 동시에 얻는다. 반응 효율을 높여주는 촉매는 곧 연료전지의 성능과 직결된다.

연료전지 촉매 중 하나인 PBMO는 수소가 아닌 탄화수소를 바로 써도 안정적으로 작동하는 물질로 알려졌다. 특히 산소를 잃는 환원 조건에서 층상구조로 변화됨에 따라 높은 이온전도도를 가진다.

이와 동시에 금속산화물 내부의 원소가 표면으로 나오는 용출 현상이 일어나면서 연료전지의 안정성과 성능이 크게 좋아진다.

그동안 어떤 과정을 통해 고성능의 촉매가 형성되는지 알려진 바가 없어 소재 설계에 어려움이 있었다.

공동연구팀은 실험을 통해 상전이→입자 석출→촉매 형성의 과정을 거쳐 고성능 촉매가 형성된다는 점을 확인했다. 이렇게 개발된 촉매는 기존 촉매 대비 4배까지 성능이 향상되며 다양한 화학 촉매에도 적용 가능하다고 전했다.

김건태 교수는 “이 물질은 연료 전지 뿐만 아니라 촉매 지지체와 나노 촉매가 필요한 오염물질 저감, 센서, 화학 촉매 분야에 쓸 수 있어 향후 다양한 분야에서 활발한 연구가 기대된다”고 전했다.

또한 한정우 교수는 “시뮬레이션을 통해 기존 실험에서 확인하기 어려웠던 원자 단위에서 정밀하게 소재를 이해하고, 이를 성공적으로 실증함으로써 기존 연구의 한계를 뛰어넘을 수 있었던 좋은 사례”라고 설명했다.

이번 연구는 삼성미래육성기술재단, 에너지기술평가원의 지원으로 수행됐으며, 에너지 과학분야 국제학술지 ‘에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science)’에 최근 게재됐다.