KAIST 신소재공학과 정우철·김상욱 교수와 충남대 김현유 교수 공동 연구팀. (사진=KAIST 제공)
한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 정우철·김상욱 교수 연구팀이 충남대 김현유 교수팀과 함께 수소 연료전지 성능을 높일 나노 촉매기술을 만들었다고 25일 밝혔다.
이 기술은 연료전지 외에 물 분해 수소생산 등 다양한 환경친화적 에너지 기술에 폭넓게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
10㎚ 이하 크기의 금속 나노입자는 극도로 적은 양으로 높은 촉매 활성을 보일 수 있다는 가능성 때문에 최근 에너지와 환경기술 분야에서 큰 관심을 받고 있다.
하지만 가격이 비싸고 높은 온도에서 입자들끼리 뭉치면서 촉매 활성이 저하되는 고질적인 문제점이 남아 있었다
또 각 금속 입자의 촉매 효율 향상 수치에 대한 정확한 연구 결과가 없어 해당 분야 발전에 한계가 있었다.
10㎚ 크기 금속 나노입자(백금, 팔라듐, 코발트, 금)의 고온 전기화학적 촉매 특성 평가 결과. (사진=KAIST 제공)
연구팀은 문제 해결을 위해 블록 공중합체 자기조립을 이용한 금속 나노 패턴 기술을 적용해 산화물 연료전지 전극 표면에 10㎚ 크기의 균일한 금속 나노입자를 균일하게 합성하는 데 성공했다.
이를 통해 하나의 입자가 갖는 촉매 특성을 고온에서 정확히 분석해 연료전지의 성능을 극대화하는 기술을 개발했다.
연구팀은 대표적 귀금속 촉매인 백금의 경우 300ng(약 0.015원) 정도의 적은 양으로도 연료전지의 성능을 21배까지 높일 수 있음을 확인했다.
나아가 백금 외에 많이 활용되는 촉매인 팔라듐, 금, 코발트 등의 금속 촉매 특성을 정량적으로 파악 및 비교하고 이론적 규명을 통해 촉매 성능이 향상되는 정확한 원리를 밝혔다.
정우철 교수는 "단순히 값비싼 촉매의 양을 늘리는 비효율적인 방법을 사용하던 기존 틀을 깬 것"이라며 "연료전지나 물 분해 수소생산 장치 등 친환경 에너지 기술 상용화에 도움이 될 것으로 기대한다"고 말했다.
연구는 한국연구재단 나노소재원천기술사업 지원으로 수행했다.
KAIST 최윤석·차승근 박사, 충남대 하현우 박사과정 학생이 1 저자로 참여한 논문은 '네이처 나노 테크놀로지'(Nature Nanotechnology) 18일 자 온라인판에 실렸다. 오프라인 3월호 표지 논문으로도 선정됐다.