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Research

수소연료전지 성능 높인 신개념 전극 촉매 대량합성법 개발

  • 조회. 390
  • 등록일. 2020.06.24
  • 작성자. 홍보팀

- DGIST 유종성 교수팀, 기존 백금 촉매보다 높은 안정성의 백금-마그네슘 합금 연료전지 전극 촉매 개발
- 간단한 제조공법으로 연료전지 촉매 제작비용↓ 대량 생산 기여 기대

 

관련사진1. DGIST 에너지공학전공 유종성 교수(오른쪽)와 이하영 석박사통합과정생
<DGIST 에너지공학전공 유종성 교수(오른쪽)와 이하영 석박사통합과정생 ⓒDGIST>

 


 DGIST는 에너지공학전공 유종성 교수 연구팀이 기존의 백금 연료전지 촉매보다 안정성이 더욱 향상된 신개념 전극 촉매 개발에 성공했다고 24일(수) 밝혔다.

 화석에너지의 과도한 사용으로 지구 온난화 문제가 심화되면서 수소연료전지가 친환경 차세대 발전기술로 주목받고 있다. 수소연료전지는 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 생산하는데 주로 백금이 전극 촉매로 사용된다. 하지만 연료전지가격의 40% 이상을 차지하는 백금의 비싼 가격과 낮은 안정성으로 대량생산이 쉽지 않은 실정이다. 

 이 때문에 백금 함량을 낮추면서 성능 좋은 촉매의 합금 소재를 찾기 위해 각국에서 다양한 연구를 진행 중이다. 그 중 전이금속1)인 니켈, 코발트는 백금과 합금화한 연료전지 촉매로 사용 시 활성이 높아 현재까지도 합금 소재로 많이 쓰인다. 하지만 전이금속의 특성 상 높은 전압과 산성 상태에 취약해서 쉽게 산화되는 탈 합금 현상이 발생해 안정성이 떨어지는 단점이 있다.

 유종성 교수 연구팀은 지각 내 존재량이 풍부한 알칼리 토금속인 마그네슘의 낮은 녹는점과 전자구조적 특성에 주목했고, 백금과 결합하면 높은 안정성을 가진 합금 촉매가 제작 가능할 것이라 판단했다. 이에 연구팀은 마그네슘의 쉽게 산화되는 특성 때문에 백금과의 합성이 어려운 점을 해결하고자 마그네슘 금속을 전구체2)로 사용하는 합성법을 고안했다. 이를 위해 백금염이 담지된 탄소 담지체3)와 마그네슘 금속 파우더를 섞은 후, 수소/아르곤 혼합가스에서 650도의 고온 열처리를 진행했다. 이 때 마그네슘 금속이 녹아 백금염과 혼합되면서 백금-마그네슘 합금 촉매가 완성되었다.

 연구팀은 완성된 백금-마그네슘 합금 촉매를 연료전지 반응의 전기화학적 분석을 진행해 보았는데, 합금 촉매의 발전 성능을 나타내는 단위질량당 활성도가 0.43 A/mg으로, 기존의 백금 촉매 활성도인 0.16 A/mg보다 약 2.7배 향상된 것을 확인했다. 또한 미국 에너지부(Department of Energy) 기준의 연료전지 안정성 평가에서도 기존 백금 촉매보다 1.5배 더 안정적임을 확인했다. 

 DGIST 유종성 교수는 “이번 연구는 값 비싼 백금 함량을 줄이면서 활성과 안정성을 개선한 값진 성과다.”며, “촉매의 합성법 또한 간단해 수소 연료전지 대량생산에 기여할 수 있을 것이며, 후속 연구를 통해 안정적인 친환경 에너지 생산 환경을 조성하는데 앞장서겠다.”고 포부를 밝혔다.

 한편 이번 연구는 DGIST 에너지공학전공 임마뉴엘 밧차 테테 석사졸업생과 이하영 석박사통합과정생 등이 참여했고, 전기화학촉매 분야 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 4월 15일자 온라인판에 게재됐다.

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1) 전이금속(轉移金屬, Transition metal) : 주기율표의 3족에서 12족 원소를 포함하는 금속. 모든 금속 원소가 가지고 있는 일반적인 성질을 가지며 전성과 가공성이 좋아 원하는 여러 가지 형태로 제작 가능하다. 서로 잘 섞이는 성질 때문에 다양한 합금을 만든다. 
2) 전구체(Precursor) : 어떤 화학반응에서 최종적으로 얻을 수 있는 특정물질이 되기 전 단계의 물질
3) 담지체 : 촉매의 반응성을 향상시키기 위해 촉매를 담아 고정해 주는 역할을 하는 물질

 

 

     연구결과개요 


New PtMg Alloy with Durable Electrocatalytic Performance for Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Emmanuel Batsa Tetteh, Ha-Young Lee, Cheol-Hwan Shin, Seung-hoon Kim, Hyung Chul Ham, Thanh-Nhan Tran, Jue-Hyuk Jang, Sung Jong Yoo, and Jong-Sung Yu
(ACS Energy Letters , IF = 16.311 Published on 15th April 2020)


연료전지는 수소와 산소를 연료로 사용하여 전기와 물을 배출하는 친환경 발전기술로, 그 발전효율을 향상시키기 위한 저가, 고활성, 고안정 촉매 연구가 진행되고 있다. 기존 백금 촉매의 가격과 활성을 개선하기 위해 백금과 전이금속의 합금을 형성하여 활용하는 연구가 수행되고 있지만, 아직 안정성에 대한 연구가 더 필요하다.
이번 연구에서는 백금염이 분포된 탄소 담지체와 마그네슘 금속 파우더를 섞은 뒤 5% 수소/아르곤 혼합가스 흐름에서 열처리하면 마그네슘 금속이 녹아, 백금염과 혼합되어 백금과 마그네슘 합금을 이루게 된다. 마그네슘의 산화되기 쉬운 성질과 백금과의 큰 환원전위 차이를 극복하여, 세계 최초로 백금-마그네슘 합금 촉매를 개발하면서, 다른 알칼리 또는 알칼리토금속의 합금 합성 가능성을 제시하였다.
연구팀은 연료전지 반응의 전기화학적 분석을 통해 백금-마그네슘 합금 촉매의 백금 질량당 활성이 0.43 A/mg으로 기존 0.16 A/mg에서 약 2.7배 향상된 것을 확인하였으며, 미국 에너지부 기준의 연료전지 안정성 평가에서 상용 백금 촉매보다 1.5배 안정한 것을 확인했다.
이러한 촉매 성능의 향상은 마그네슘이 전자를 백금에 주어 백금의 전자구조 변화로 활성이 향상되었으며, 백금-마그네슘 합금의 큰 결합에너지로 인한 안정성이 향상되었음을 확인하였다. 이번 연구결과를 통해 신규 조성인 백금-마그네슘 합금이 연료전지 반응에 효율적인 촉매로 사용될 수 있음을 알 수 있다. DOI 10.1021/acsenergylett.0c00184

 

      연구결과문답  


Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존 연료전지 촉매를 위한 합금은 Ni, Co, Fe와 같은 전이금속과 백금을 조합하여 사용하였지만, 이번 연구는 마그네슘과 백금의 합금을 형성하여 연료전지 촉매로 활용하였다. 마그네슘은 주기율표 2족 원소인 알칼리토금속에 해당하며, 이는 큰 네가티브 환원전위와 산화되기 쉬운 성질로 인해 백금과의 합금 형성이 어려워 합성이 보고된 예가 없다. 이를 효과적으로 극복하여 신규 조성인 백금-마그네슘 합금 개발에 성공하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
백금-마그네슘 합금은 연료전지 촉매로 활용되어 그 발전효율과 장기성능을 향상시키고, 합성법은 마그네슘과 유사한 성질을 가진 알칼리토금속 또는 알칼리 금속을 포함하는 백금 합금 합성에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
이번 연구로 개발된 합성법은 백금과 합금을 형성하는 금속의 파우더와 백금염이 분포된 탄소를 섞어 단순한 고상 반응으로 5%수소/아르곤 가스에서 금속이 녹는 온도에서 열처리하는 단순한 공정으로 바로 상용화가 가능하다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
수소 연료전지의 상용화가 가속화되고 있지만, 아직 촉매의 가격과 안정성에 대한 연구가 필요한 상황이다. 백금 가격을 줄이면서 활성을 향상하여 가격경쟁력을 확보하고, 안정한 합금을 도입해 장기 안정성을 개선한다면 연료전지 보급에 기여할 수 있을 것이라 생각하였다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?
이번 연구를 통해 합성한 백금-마그네슘 촉매는 연료전지 반응에서 기존 백금 촉매보다 높은 활성과 향상된 안정성을 보였으며 제조 방법 또한 비교적 간단하여 신규 촉매 보급과 연료전지 상용화를 기대할 수 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
연료전지의 상용화를 위한 고효율, 고안정성 저가 촉매 개발 연구는 활발히 이루어지고 있으며, 이번 연구에서 개발한 촉매를 실증하거나, 합성법을 토대로 활성이 더욱 우수한 신규 조합의 촉매를 합성하거나 또는 다른 물질들과 접합시켜 더 큰 활성의 연료전지 촉매를 개발하고자 한다. 이를 통해 화석에너지를 대체할 수 있는 연료전지 보급과 수소사회 진입에 기여하고자 한다.


     그림 설명  


[그림 1] 백금-마그네슘 합금 촉매의 화학적 조성(組成) 분석 사진

관련사진2. 백금-마그네슘 합금 촉매의 화학적 조성(組成) 분석 사진



(a) 백금-마그네슘 합금 나노입자의 투과전자현미경 이미지. 합금 입자가 탄소 담지체에 분포되어 있다. 

(b, c) (b) 백금-마그네슘 합금 나노입자를 왼쪽에서 오른쪽으로 조사하여, 백금과 마그네슘의 함량과 분포(c)를 확인하였다. 이때의 입자의 조성은 백금이 95 질량%이며, 마그네슘은 5 질량%이다. 합성과정에서 합금 표면의 마그네슘은 산처리로 제거하여 합금의 표면은 백금으로 구성되어 있다.

 


[그림 2] 백금-마그네슘 촉매와 상용 백금 촉매의 연료전지 안정성 평가 분석 그래프

관련사진3. 백금-마그네슘 촉매와 상용 백금 촉매의 연료전지 안정성 평가 분석 그래프

(a) 백금-마그네슘 촉매(PtxMg/C)의 미국 에너지부 프로토콜에 따른 연료전지 안정성 평가 결과이다. 3만 사이클 이후, 초기 전력밀도에서 30.2%가 감소하였다.

(b) 상용 백금 촉매(Pt/C)의 동일한 미국 에너지부 프로토콜에 따른 연료전지 안정성 평가 결과이다. 3만 사이클 이후, 초기 전력밀도에서 53.1%가 감소하였다. 전력밀도의 감소율을 비교하였을 때, 백금-마그네슘 촉매가 상용 촉매보다 1.5배 안정함을 확인하였다. 

(c) 촉매 안정성 평가의 싸이클 횟수에 따른 0.8 V에서 백금 질량당 활성 비교 결과이다. 3만 싸이클 이후, 신규 촉매가 1.09 A/mg에서 0.95 A/mg으로 19% 감소하였지만, 상용 촉매는 1.07 A/mg에서 0.43 A/mg으로 60%가 감소하였다. 
이러한 우수한 성능 결과를 통해 백금-마그네슘 촉매가 상용 백금 촉매보다 뛰어난  안정성을 보임을 확인하였다.

 

DGIST Scholar Researcher Page Banner(Kor)_2



 

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