지스트 연구팀 (왼쪽부터)배근수 박사과정생, 최창혁 교수, 김해솔 박사과정생. /지스트제공

지스트(광주과학기술원)는 신소재공학부 최창혁 교수 연구팀이 수소연료전지용 비귀금속계 촉매의 성능평가를 위한 원천기술을 확보했다고 19일 밝혔다.

이는 수소연료전지의 상용화에 한 걸음 더 다가서는 계기를 마련한 것이라고 지스트는 설명했다.

수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 수소연료전지에는 이들의 반응을 돕는 촉매가 필요하다. 기존 수소연료전지는 주로 귀금속인 백금을 촉매로 사용했지만, 백금의 희소성과 높은 가격이 상용화에 걸림돌이었다. 최근에는 이를 대체할 수 있는 저렴한 촉매에 관한 연구가 활발하다.

이중 철·질소·탄소로 구성된 단원자 철 기반의 촉매가 효율적인 산소환원반응 촉매로 주목받고 있다. 하지만 단원자 촉매의 성능 진단기술의 부재로 촉매 성능의 주요 결정인자인 활성점 밀도, 전환빈도 파악에 어려움을 겪고 있다.

산소환원반응은 수소연료전지의 양극에서 일어나는 반응으로, 산소가 전자와 양성자와 반응해 물로 환원되는 반응이다.

활성점 밀도는 촉매 표면에서 반응물질이 촉매 작용을 받는 부위의 밀도다. 전환빈도는 반응물이 촉매의 활성점당 단위 시간당 반응하는 분자의 수를 이른다.

연구팀은 철 기반 단원자 촉매에 사이안화 이온(CN-)이 비가역적으로 흡착할 수 있다는 점에 착안, 촉매 성능 결정인자인 활성점 밀도와 전환빈도를 측정하는 기술을 고안했다.

최창혁 교수는 "이번 연구성과는 최근 상용화에 근접한 철 기반 단원자 촉매의 성능평가 원천기술을 확보했다는데 의의가 있다"며 "해당 기술을 활용해 고활성을 가지는 산소환원 촉매 개발을 통해 미래 수소 경제 활성화에 기여할 수 있기를 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 미래소재디스커버리사업, 개인기초연구사업(신진), 한국과학기술연구원의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 미국 화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 '오픈어세스 미국화학회지'(JACS Au)에 4월13일 온라인 게재됐다.

/이달호 기자