경기도가 산학협력 지원사업인 경기도 지역협력연구센터(GRRC)에서 수소연료전지 상용화의 핵심인 고효율 저비용 비백금계 촉매 개발에 성공했다고 밝혔다.

유원철, 이상욱 한양대학교 에리카(ERICA)캠퍼스 화학분자공학과 교수팀과 한국과학기술연구원(KIST)의 유성종 박사 연구팀은 공동으로 수소에너지 전주기 핵심 소재 연구를 수행하던 중에 백금계 산소환원반응 촉매를 대신할 수 있는 비백금계 전기화학촉매를 개발했다.

▲비백금 촉매의 연료전지 평가 결과

수소이온이 산소를 만나 물이 생성될 때 전기에너지가 만들어지는데, 이때 화학반응이 빨리 이뤄지게 돕는 촉매가 필수다. 수소연료전지의 촉매로는 성능이 뛰어난 백금이 압도적으로 많이 사용되지만 비용이 많이 든다는 점이 상용화에 큰 걸림돌이었다.

연구팀은 기존에 비백금계 촉매로 각광받던 철(Fe)과 질소(N)가 도핑(어떤 물질이 가진 구조적 특성을 조절하기 위해 소량의 원소나 화학물질을 첨가하는 공정)된 탄소(FeNC) 촉매에 새롭게 실리콘(Si)을 공동 도핑해 지금까지 보고된 적이 없던 새로운 철(Fe), 실리콘(Si), 질소(N)가 공동 도핑된 탄소(FeSiNC) 단일원자 촉매를 합성했고, 저비용으로 기존 촉매를 대신할 수 있음을 확인했다.

또 해당 연구에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 수행하고 수치화해 우수한 산소환원반응 성능의 원인을 규명했으며, 해당 전극을 사용해 연료전지 중 하나인 음이온 교환막 연료전지(anion exchange membrane fuel cell)를 제작 및 성능 테스트해 저비용 고효율 비백금계 촉매 상용화의 실험적인 토대를 확인했다.

▲비백금 촉매의 산소환원반응 모식도

유원철, 이상욱 교수팀은 “국가적으로 관심이 많은 수소에너지 활용 중 연료전지의 상용화에 큰 걸림돌이었던 값비싼 백금 기반 전기화학촉매를 대체할 수 있는 경제적이고 효율이 우수한 비백금계 촉매 개발에 새로운 도약의 발판을 마련했다”고 말했다.

이번 연구는 경기도 지역협력연구센터(GRRC) 사업 지원으로, 연구결과는 재료화학 분야 국제 저명 학술지인 ‘저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’ 2월 21일자 최신호에 출판됐다.

한편 경기도 지역협력연구센터(GRRC) 사업은 연구개발 기반이 부족한 중소기업을 지원하기 위해 경기도가 도내 대학, 연구소와 중소기업을 연결, 기술개발 활동을 지원하는 산·학 협력모델로 관련 산업의 기술 경쟁력 향상을 통한 지역경제 활성화를 목표로 하고 있다.

올해 지원되는 도비는 52억7천만 원으로 센터 당 5억1천만 원씩 지원하고 있으며, 한양대에리카캠퍼스를 비롯한 10곳의 센터가 활발히 연구개발을 수행 중이다.