문봉진 지스트 교수./사진제공=지스트© News1 국내 연구팀이 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 촉매시스템 개발의 가능성을 제시하는 데 성공했다.

지스트(GIST·광주과학기술원·총장 김영준) 물리·광과학과 문봉진 교수(교신저자) 팀은 최근 신재생에너지 기술인 연료전지의 핵심 원리인 산소환원반응이 촉매 물질에 따라 어떻게 달라지는지 규명했다고 24일 밝혔다. 이를 응용하면 보다 효율적인 새로운 촉매 시스템을 디자인해 기존 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 문 교수가 주도하고 서울대 물리천문학부 김용수 박사(제1 저자), 서울대 재료공학부 한승우 교수(공동교신저자), 삼성디스플레이 전상호 박사(공동저자) 등이 공동 참여해 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업으로 수행됐다. 연구 논문은 최근 물리·에너지 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 에너지 머터리얼(Advanced Energy Materials)'에 게재됐다.

연구팀에 따르면 외부에서 유입된 산소와 수소 및 전자가 만나 물이 되어 나오는 친환경 배출과정으로 연료전지의 핵심 촉매반응인 산소환원반응을 위한 촉매 물질로는 백금이 주로 사용된다. 하지만 성능이 가장 뛰어나다고 알려진 백금도 반응 속도를 더 증가시켜야 하는 과제가 남아 있을 뿐만 아니라 값이 비싼 백금의 함량을 최대한 줄여야 현실적인 실용화도 가능한 상황이다. 이에 따라 그동안 학계에서는 연료전지 분야 연구자들은 백금의 함량을 낮추면서 산소환원반응 속도를 높이는 데 힘써 왔다. 또한 최근 백금에 전이금속을 넣은 합금에서 산소환원반응이 더 빠르게 일어난다는 사실도 밝혀냈다. 그러나 지금까지는 이 메커니즘에 대한 정확한 원리와 전이금속의 역할 등에 대해서는 명확히 규명하지 못하고 있었다.

연구팀은 자동차에 사용되고 있는 고분자 전해질막 연료전지에서 최첨단 각도 분해 광전자 분광법을 이용해 산소흡착 과정 중에 일어나는 백금-전이금속 합금의 표면 전자구조의 변화를 측정·분석해 전이금속의 역할과 산호환원반응과의 상관관계를 명확하게 밝혀냈다.

백금-전이금속 합금의 표면은 백금 층으로만 구성된 특이한 구조를 가지고 있다. 이러한 백금 층의 아래에 위치하고 있는 전이금속들은 표면 백금 층 내 전자구조의 변화를 유도하고 이로 인해 산소 원자와의 결합에 관여하는 백금 층의 표면 상태가 약해진다.

따라서 산소 원자는 순수 백금 위에서 보다 약하게 결합한 상태로 흡착되게 된다. 이러한 약한 결합상태로 인해 산소환원반응 역시 빨라지게 된다는 사실을 연구팀이 입증해낸 것이다.

문 교수는 "이번 연구는 백금 층의 전자구조를 조절해 촉매반응속도를 조절할 수 있다는 것을 밝혀낸 것"이라며 "향후 다양한 방법으로 새로운 촉매 시스템을 디자인하고 개발할 수 있는 새로운 가능성을 연 것으로 평가할 수 있다"고 말했다.


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