고려대, 수소가 수소연료전지 성능 저하시키는 원인 밝혀내…

▲ ‘ACS 에너지 레터스’ 논문 표지 (자료=고려대)

[에너지경제신문 송기우 에디터] 고려대학교(총장 김동원) 공과대학 신소재공학과 김세호 교수 연구팀이 독일 막스플랑크 연구소 Baptiste Gault 교수 연구팀과 함께 원자단층 촬영 현미경을 이용해 수소 연료전지 음극재의 근본적인 성능저하 원인을 규명했다.

수소는 어디에나 있는 보편적 에너지원인 동시에 재생에너지로 저장이 가능하지만, 가장 작은 원소이기 때문에 재료 내부에 쉽게 침투하게 되어 때로는 수소 취화를 야기하여 소재를 파괴하기도 한다. 영국 임페리얼 칼리지 런던대학교 유수현 박사(제1저자) 등 참여한 ‘수소 연료전지 촉매에서 수소의 악영향’ 연구는 국제학술지인 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF: 22.0) 7월 14일자 온라인 게재 및 8월호 표지 논문으로 게재됐다. (논문명 : Dopant Evolution in Electrocatalysts after Hydrogen Oxidation Reaction in an Alkaline Environment)

기존의 연료전지 촉매 설계 방법으로 많이 사용되는 도핑(doping)은 반도체 공정과 같이 의도적으로 연료전지 촉매에 소량의 도펀트 원소를 첨가하여 우수한 촉매 특성을 개발하는 방법이다. 하지만 기존 분석 기술로는 촉매에 존재하는 극소량 도펀트 원소들의 3차원 분포를 파악하기 힘들어 촉매의 역할 및 작용 원리에 명확하게 설명할 수 없었다. 이번 연구에서는 원자단층 촬영 현미경(Atom Probe Tomography, APT)을 사용하여, 수소 연료전지 촉매 내부에서 극소량의 도펀트 원소들의 변화를 확인했다.

연구팀은 연료전지 음극재에서 수소산화 반응이 일어날 때, 수소의 촉매 표면 흡착과 촉매 내부에 침투하는 과정에서 촉매특성을 높여주는 도펀트 원소들이 촉매에서 제거되는 현상을 발견했고, 양자역학을 기반으로 한 제일원리 시뮬레이션을 통해 수소가 촉매의 화학조성을 바꿔 촉매특성에 저하시키는 원인이었음을 새롭게 밝혀냈다.

▲ 고려대 김세호 교수(왼쪽), 독일 막스플랑크 연구소 Baptiste Gault 교수 (사진=고려대)

김세호 고려대 교수는 "이번 연구는 그동안 수소 연료전지 촉매 분야에서 밝혀지지 않았던 수소 연료 자체가 일으킬 수 있는 문제와 원인을 규명하고 그 해결법을 제시한 것"이라며 "앞으로 수소경제 소재에서 수소의 악영향을 억제할 방법이 연구가 되길 기대한다"고 말했다.

▲ 원자단층 촬영 현미경으로 분석한 수소산화 반응 중 팔라듐 음극 촉매 입자와 붕소 도펀트의 변화

▲ 수소 흡착에 따른 도펀트 원소 불안정성 제일원리 시뮬레이션 (자료=고려대)