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경북대 최상일·이지훈 교수, 에탄올 연료전지 고성능 촉매 개발

신소재공학부

  • 2022-03-29 13:29
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경북대 연구팀이 에탄올 연료전지에 사용되는 고가의 백금 촉매보다 효율이 11배 가량 높은 새로운 촉매를 개발했다.

경북대 화학과 최상일 교수와 신소재공학부 이지훈 교수는 미국 컬럼비아대, 샌디에이고 캘리포니아대와의 공동연구를 통해 로듐 단원자가 장식된 백금 촉매를 개발했다.

에탄올 연료전지는 에탄올을 에너지원으로 사용해 전기에너지를 생산한다. 소규모 크기로 제작이 가능해 휴대용 배터리 대용으로 활용할 수 있어 미래 에너지 시스템으로 주목받고 있다. 지금까지 상용 에탄올 연료전지의 촉매로 쓰이는 백금은 고가인데다 전기 생산 효율이 기대치보다 낮았다. 기존 연구에 따르면, 백금 촉매 표면은 에탄올을 분해해 이산화탄소를 배출하면서 전기를 생산한다. 이때 부생물질로 생성된 일산화탄소가 백금 표면을 오염시켜 전기 생산 효율이 감소되는 문제가 생긴다.

경북대 공동연구팀은 ‘백금-산소-로듐원자’로 표현되는 새로운 촉매점을 발견하고, 이 촉매점이 99% 이상 수준으로 에탄올을 이산화탄소로 완전히 분해하는 결과를 얻었다. 이번 연구에서 개발한 촉매가 나타낸 에탄올 분해에 필요한 개시 전압 값은 지금껏 보고된 값들 중에 가장 낮은 값을 보여, 기존 백금 촉매 대비 11배의 효율을 달성했다. 최상일 교수팀은 백금 표면에 로듐을 원자수준으로 증착시키는 고난이도 합성기술을 통해 로듐 단원자가 장식된 백금 촉매를 얻었고, 이지훈 교수 및 미국 연구팀과 공동 연구로 에탄올 분해 반응성 측정과 반응 기작을 규명했다.

연구 결과는 미국국립과학원(NAS)이 발행하는 세계적인 학술지인 ‘미국국립과학원회보(Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.)’ 3월 15일자로 게재됐다.

최상일 교수는 “이번에 개발된 촉매는 기존 에탄올 연료전지의 성능을 크게 개선하는 결과를 얻음과 동시에 새로운 개념의 단원자 촉매 개발과 이에 대한 반응 기작을 이해하는 기초 연구로서 큰 의미가 있다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업(중견연계신진후속, 기초연구실, 생애첫연구)의 지원을 받아 수행됐다.