한국에너지기술연구원(KIER, 원장 김종남) 연료전지연구실 박구곤 박사 연구진은 미국 브룩헤이븐국가연구소, 센트럴 미시건대와의 공동연구를 통해 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금 사용량은 저감하면서 수명은 획기적으로 늘릴 수 있는 코어(core)-쉘(shell)구조 촉매기술을 개발했다고 최근 밝혔다.
이번에 개발된 코어-쉘구조 촉매는 코어에 코발트, 쉘은 백금을 적용해 기존 상용 백금촉매대비 성능은 2배, 내구성은 5배 향상시켰다. 이번 연구결과는 미국화학회에서 발간하는 화학분야 세계적 학술지인 ‘ACS Catalysis’의 5월7일자 표지논문으로 게재됐다.
탄소중립 및 수소사회로의 전환이 가속화되면서 수소를 활용하는 연료전지가 다양한 분야로 확대되고 수소기반 산업을 견인하고 있다.
자동차 등 모바일용, 건물용, 발전용 등 다양한 분야에서 연료전지는 본격적인 양산을 앞두고 있으며 현대자동차 및 토요타자동차는 수소전기자동차의 본격적인 상용화를 시작한 상황이다.
연료전지시스템의 핵심부품인 스택 내 전극촉매로 사용되는 백금, 팔라듐 등 귀금속 가격은 최근 급상승하고 있다. 이러한 상황에서 연료전지 스택비용의 약 48%를 차지하는 전극촉매의 성능 향상과 가격저감이 시급한 상황이다. 이에 따라 백금 사용량 저감 및 성능 극대화를 위해 코어-쉘구조 전극촉매에 대한 연구가 최근 경쟁적으로 진행되고 있다.
그러나 일반적인 코어-쉘구조 전극촉매는 상대적으로 복잡한 단계를 거쳐 제작되고 있으며 촉매 활성금속의 중앙에 팔라듐과 같은 고가의 귀금속이 사용돼 가격저감은 쉽지 않았다. 이에 따라 가격저감을 위해 코어에 저가의 전이금속을 적용하는 연구가 있었지만 연료전지 구동 시 전이금속 용출 등 내구성 문제로 인해 실제 연료전지 전극촉매로써 활용하기 어려운 상황이었다.
내구성·성능·경제성 동시 향상기술 개발
박구곤 박사 연구진은 이러한 어려움을 극복하기 위해 초음파를 활용한 합성법을 통해 저가의 코발트로 구성된 코어물질 위에 백금이 원자형태로 1~2개 층을 이뤄 감싸는 코어-쉘, 코발트-백금 합금촉매를 개발했다.
이번 기술개발을 통해 2~3단계의 복잡한 공정을 거치는 구리 저전위도금법(Cu UPD) 대신 초음파 기반 반응공정을 통해 간단하게 코어-쉘구조 전극촉매를 제조할 수 있게 됐다. 이와 같은 간단한 방법을 통해 코어-쉘구조 코발트-백금 합금촉매를 한 번에 5g 이상 제조가능하며 현재는 50g 수준 제조시에도 우수한 재현성을 확보할 수 있다.
또한 전이금속의 용출문제를 해결하기 위해 연구진은 세계 최초로 촉매제조에 가압질화공정을 도입했다. 질화란 철 등 금속의 원자구조 내부에 질소원자를 도입해 금속 안정성을 향상시키는 것으로 연구진은 분자역학 시뮬레이션을 활용해 열처리과정 중 다양한 압력조건(1·40·80기업)의 암모니아가스 분위기에서 촉매입자들이 서로 응집되는 과정과 암모니아에서 유래한 질소가 코발트 코어물질로 도입되는 질화과정에 대한 이론적인 메커니즘을 규명했다.
전자현미경·원소분석·X-ray 광전자분광법 분석 등의 결과를 바탕으로 질화과정에서 압력이 증가할수록 코발트코어의 질화수준이 증가하고 이로 인해 코어-쉘 전극촉매가 지닌 내구성도 비례해 향상되는 것을 확인했다.
특히 질화수준이 가장 높은 코어-쉘구조 코발트-백금 합금촉매의 경우 상용백금촉매대비 성능은 2배, 내구성은 5배 이상 향상됨을 확인했다.
이를 통해 팔라듐과 같은 귀금속 코어물질을 사용하지 않고도 백금 사용량은 극소화하며 성능과 수명을 획기적으로 증대시키는 새로운 방법이 개발된 것이다.
이번 연구를 통해 개발된 CoN@Pt/C(코어[코발트질화물]-쉘[백금]구조) 전극촉매는 미국 DOE(Department of Energy)의 가속열화성능평가 기준인 3만사이클을 넘어 100만사이클의 수명평가에서도 코어-쉘구조와 상당부분의 활성면적을 유지하는 장기 안정성을 보여주고 있다.
박구곤 박사는 “간편한 공정을 통한 코어-쉘 전극촉매 제조 및 가압질화공정을 통한 촉매의 내구성기술 확보는 본격적인 연료전지 상용화를 앞두고 있는 시점에서 가격경쟁력 확보를 위한 필수적인 원천소재기술이 될 수 있을 것”이라고 강조했다.
한편 이번 연구는 KIER 주요사업과 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행됐다.
이번에 개발된 코어-쉘구조 촉매는 코어에 코발트, 쉘은 백금을 적용해 기존 상용 백금촉매대비 성능은 2배, 내구성은 5배 향상시켰다. 이번 연구결과는 미국화학회에서 발간하는 화학분야 세계적 학술지인 ‘ACS Catalysis’의 5월7일자 표지논문으로 게재됐다. 
또한 전이금속의 용출문제를 해결하기 위해 연구진은 세계 최초로 촉매제조에 가압질화공정을 도입했다. 질화란 철 등 금속의 원자구조 내부에 질소원자를 도입해 금속 안정성을 향상시키는 것으로 연구진은 분자역학 시뮬레이션을 활용해 열처리과정 중 다양한 압력조건(1·40·80기업)의 암모니아가스 분위기에서 촉매입자들이 서로 응집되는 과정과 암모니아에서 유래한 질소가 코발트 코어물질로 도입되는 질화과정에 대한 이론적인 메커니즘을 규명했다. 
특히 질화수준이 가장 높은 코어-쉘구조 코발트-백금 합금촉매의 경우 상용백금촉매대비 성능은 2배, 내구성은 5배 이상 향상됨을 확인했다.
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