UNIST 김건태·백종범 교수, 주용완 연구교수 주도…고성능 철-탄소 복합체 촉매 제조
수소연료전지와 금속-공기전지를 싸게 만들 길이 열렸다. 전체 가격의 20~30%를 차지하는 백금계 촉매를 대신할 물질이 개발됐다. 철과 그래핀을 활용한 이 촉매는 1g당 200~300원이면 제조 가능해 경제적 효과가 높다는 전망이다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 김건태·백종범 교수, 주용완 연구교수, 김창민·김선아 연구원으로 이뤄진 연구팀은 수소연료전지나 금속-공기전지에 쓰일 '철-탄소 복합체 촉매'를 개발했다고 14일 밝혔다.
소량의 '철(Fe)'과 '그래핀 나노 플레이트(GnP)'를 이용해 만든 이 촉매는 값비싼 백금계 촉매를 대체할 저비용 고성능 촉매다.
현재 수소연료전지에 필수적으로 들어가는 촉매는 귀금속인 백금을 활용한다. 백금은 1g당 8~9만 원으로 비싸다.
고가 촉매의 부담을 덜기 위해 많은 연구자들이 백금계 촉매를 대체할 물질을 찾아왔다. 그러나 새로운 촉매를 만들더라도 제작 공정이 복잡하거나 대량생산이 불가능하다는 문제점이 있었다.
연구진이 새로 개발한 촉매는 백금계 촉매만큼 성능이 우수하고, 기존에 알려진 '볼밀링 공정'과 '전기방시기법'을 이용하므로 제작 공정이 간단하고 대량생산도 가능하다.
볼밀링 공정은 용기 내에 금속 볼과 흑연, 합성할 원소를 넣고 회전시키는 공정이다. 이때 그래핀에 질소(N)나 철(Fe) 등이 합성된다. 이렇게 만들어진 철과 질소가 함유된 그래핀 나노 플레이트를 나노 섬유를 구성하는 용액에 넣고, 전압을 걸어주는 전기방사기법을 쓰면 탄소복합체 섬유가 만들어진다.
이번 연구를 주도한 주용완 연구교수는 "잘 알려진 기술을 이용해 제조한 철-탄소 복합체는 귀금속 촉매를 사용하는 여러 전지에서 활용할 수 있다"고 설명했다.
연구진에 따르면 이 물질은 특히 리튬-공기전지의 촉매 물질로 뛰어난 성능을 보였다. 리튬-공기전지에서 촉매는 공기 중의 산소 분자를 산소 원자로 환원시켜 리튬과 반응하도록 만드는 핵심 물질이다. 산소의 환원 반응이 빠르게 일어날수록 전지의 성능이 좋아진다.
연구진이 개발한 탄소복합체 섬유는 금속공기전지의 촉매 물질로 사용되는 고가의 백금계 촉매와 유사한 전기화학적 성능을 보였다. 장기적인 성능은 백금계 촉매보다 안정적이었다.
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김건태 교수는 "철과 질소가 포함된 그래핀 나노 플레이트를 이용한 탄소복합체 촉매는 산화그래핀을 비롯한 기의 탄소 촉매에 비해 내구성과 성능이 뛰어나며 저비용 대량 생산이 가능해 금속-공기전지 및 연료전지의 상용화를 가속시킬 수 있다"며 "다양한 촉매 과학에 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구성과는 재료공학 학술지인 '어드밴스드 사이언스' 12월호에 게재됐으며, 표지로도 선정됐다.
