연료전지 백금촉매, 금 박막으로 대체 가능

국내 연구진이 고효율 연료전지 촉매로 쓸 수 있는 금 박막을 개발했다. 기존 백금 촉매와는 달리 일산화탄소 흡착에 의한 성능 저하가 일어나지 않아 저비용 고효율 연료전지 개발이 가능하다.

한국과학기술연구원(KIST) 물질구조제어연구센터 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질·화학반응 연구단 박정영 교수 연구진은 19일 "나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응 효율을 향상시키는 원리를 규명했다"고 밝혔다.

통상 과학계에서 금 나노 입자는 활성이 높아 고효율 촉매 물질로 인정받고 있다. 일반 촉매를 사용하면 일산화탄소의 산화 반응이 최소한 섭씨 100도를 넘어야 일어나는 데 비해 1~3nm(나노미터) 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하 온도에서도 일어나게 할 정도로 활성이 높기 때문이다.

그러나 금 나노 입자를 촉매나 전극으로 사용하려면 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야 하는데다 금 입자를 고정하더라도 반응 중에 입자가 유실되는 등 안정성과 재현성이 낮아 실제로 사용하기 어려웠다.

연구진은 이같은 금 나노 입자의 한계를 극복하기 위해 100nm 정도 두께의 얇은 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결하면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다.

기존 연료전지에 쓰이는 백금 촉매는 일산화탄소 흡착이 매우 잘 일어나 촉매 성능이 급격히 낮아지는 ‘일산화탄소 피독’ 문제가 있었다. 금은 이러한 성질을 갖고 있지 않아 연료전지용 촉매로서 장점이 있는데 문제는 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않다는 것이었다.

그래서 연구진은 이 문제를 해결하고자 금속 산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌리는 방법을 고안, 촉매활성을 최대 5배 높이는 성과를 거뒀다.

김 박사와 박 교수는 "현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다"면서 "이번 연구로 금이 백금 촉매를 대체할 가능성을 발견했고 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혔기 때문에 앞으로 고효율의 연료전지를 개발하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

이 연구 결과는 지난 11일 발간된 세계적 과학저널 ‘케미컬 커뮤니케이션 온라인판에 표지논문으로 게재됐다. 안희민 기자 ahm@ekn.kr