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그래핀에 다른 원소 첨가해 고성능 촉매 개발... 값비싼 백금 대체 가능성 높여

울산과기대(UNIST) 백종범 교수 연구팀이 연료전지에 필수적인 촉매* 제조에 사용되는 값비싼 백금을 대체할 수 있는 뛰어난 안정성과 성능을 지닌 ‘탄소기반 촉매’ 개발에 대한 총설 논문을 세계 정상급 과학 저널인 ‘케미컬 리뷰(Chemical Reveiws)’지(紙) 온라인판에 5월 4일 발표했다. * 논문 제목: 산소환원용 무금속 촉매(Metal-Free Catalysts for Oxygen Reduction Reaction)

연료전지가 전력을 생산하기 위해서는 산소분자(O2)가 산소원자(O)로 분해되어야만 하며, 이때 필수적으로 촉매가 필요하다.

케미컬 리뷰지(紙)는 논문인용지수*(45.661)가 네이처(42.351), 사이언스(31.477), 셀(33.116)보다도 높은 세계적인 영향력을 지닌 저널이며, 총설 논문이란 해당 분야에서 연구팀의 그간 성과, 연구동향 및 전망을 집대성한 내용을 담은 것으로 많은 연구자들에게 인용된다.

특히 연구팀의 논문은 케미컬 리뷰가 자체 집계한 ‘지난 1개월간 가장 많이 읽힌 논문’ 톱 5에 들 정도로 주목을 받았다.

논문인용지수(Impact Factor, IF) 해당 저널에 게재된 논문이 1년간 인용된 평균 횟수로, 저널의 영향력을 나타내는 대표적 지표다.

연료전지란 촉매를 이용하여 연료(수소 등)와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 장치로, 에너지 변환 효율이 높고(70% 내외) 부산물로 물만 발생되기 때문에 친환경에너지 기술로 주목을 받고 있다.

정부도 ‘기후변화대응을 위한 6대 핵심기술*’ 분야 중 하나로 연료전지 분야를 중점 육성하고 있으며, 지난 6월3일 착공한 진천 친환경에너지타운에도 연료전지 기술이 사용될 예정이다. * 기후변화 대응을 위한 「에너지 신산업 및 핵심 기술개발 전략」이행계획(’15.4.22)

연료전지 상용화의 가장 큰 어려움은 현재 촉매 재료로 사용되고 있는 백금 촉매의 비싼 가격(kg당 1억원 이상)과 낮은 안정성(사용할수록 성능이 급격히 저하) 때문으로, 백금을 다른 재료로 대체하거나 사용을 최소화하려는 다양한 연구가 활발하다.

연구팀은 탄소로 이루어진 물질이 안정성 면에서 뛰어나다는 점을 이용, 그래핀*에 비금속 원소(질소, 황, 요오드 등)를 첨가(도핑)하는 방법으로 촉매 특성을 향상시키는 연구에 주력하여 왔으며, 총론을 통해 그간의 성과와 향후 연구방향 등을 제시하였다.

그래핀: 탄소 원자들이 6각형 벌집구조로 배열된 원자막으로, 전류수송(구리의 150배), 강도(강철의 200배), 투명도(98%) 등 물성이 우수해 ‘꿈의 나노소재’로 불린다.

연구팀은 유독물질을 사용하지 않고도 그래핀 기반의 촉매를 값싸게 대량으로 제조할 수 있는 자체 개발한 볼밀링법(ball milling)*에 기반하여 연구를 수행해 왔으며, 이에 대해 총설에 자세히 소개하였다. 쇠구슬을 이용해 흑연을 고속분쇄함으로써 탄소 물질(그래핀)에 다른 원소가 도핑된 탄소기반 촉매를 대량생산하는 공정이다.

이 기술은 그래핀의 고유한 형태와 성질을 손상시키지 않고도 비금속 원소를 첨가할 수 있어 촉매로서 필요한 성능을 부여할 수 있다. 실제로 이 방법으로 개발한 촉매가 안정성은 백금에 월등히 앞서고(10배 이상), 전력 생산에 있어서도 백금을 능가하거나 대등한 성능을 보여 백금 대체가 가능함을 보여주었다.

또한 연구팀은 현재 0.1볼트 수준인 탄소기반 촉매의 개시전압을 백금과 같은 ‘제로’ 수준으로 낮추는 것 등을 향후 연구의 주요 과제로 제시하였다.

백종범 교수는 “기존 백금 촉매의 제조비용이 1kg당 1억원 이상인 반면, 탄소 촉매의 경우 그 1%도 안되는 1kg당 1백만 원 이하에 공급이 가능하면서도 뛰어난 안정성과 성능을 보인다”고 설명하며, “연료전지용 탄소 촉매에 관한 이슈를 정리하고 방향을 제시한 본 총론을 통해 많은 연구자들의 연구 활동에 도움이 되고 연료전지 상용화가 앞당겨지는 계기가 되기를 바란다”고 밝혔다.

이번 연구는 미래창조과학부에서 추진하는 기초연구사업(중견 및 리더연구자지원)으로 수행되었으며, 울산과기대(UNIST) 백종범 교수(교신저자), Liming Dai 교수(Case Western Reserve University, 미국), Yuhua Xua 박사(Case Western Reserve University, 미국), Liangti Qu 교수(Beijing Institute of Technology, 중국)가 주도하고 최현정 박사과정(UNIST) 학생이 참여하였다.

출처 : 미래창조과학부