단원자 철 촉매의 활성점과 사이안화 이온의 비가역적 흡착을 이용한 촉매의 성능결정인자(활성점 밀도와 전환빈도) 도출방법의 모식도.[광주과기원 제공]

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[헤럴드경제=구본혁 기자] 광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 최창혁 교수 연구팀이 수소연료전지용 비귀금속계 촉매의 성능평가를 위한 원천기술을 확보했다고 19일 밝혔다. 이를 통해 수소연료전지의 상용화에 한 걸음 더 다가서는 계기를 마련했다는 평가다.

수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 수소연료전지에는 이들의 반응을 돕는 촉매가 필요하다. 기존 수소연료전지는 주로 귀금속인 백금을 촉매로 사용했으나, 백금의 희소성과 높은 가격이 상용화에 큰 걸림돌이었다. 최근에는 이를 대체할 수 있는 저렴한 촉매에 관한 연구가 활발하게 진행중이다.

철, 질소, 탄소로 구성된 단원자 철 기반의 촉매가 효율적인 산소환원반응* 촉매로 주목받고 있다. 하지만 단원자 촉매의 성능 진단기술의 부재로 촉매 성능의 주요 결정인자인 활성점 밀도, 전환빈도 파악에 어려움을 겪고 있다.

연구팀은 철 기반 단원자 촉매에 사이안화 이온(CN-)이 비가역적으로 흡착할 수 있다는 점에 착안, 촉매 성능 결정인자인 활성점 밀도 및 전환빈도를 측정하는 기술을 고안했다.

특수하게 고안된 반응기를 이용해 철 기반의 단원자 촉매에 사이안화 이온을 비가역적으로 흡착했다. 이때 흡착된 사이안화 이온의 양을 자외-가시선(UV-Vis) 분광법으로 정량화했고, 동시에 사이안화 이온을 비가역적으로 흡착한 촉매의 산소환원 반응성 감소량을 측정했다. 이를 통해 촉매의 활성점 밀도와 전환빈도를 성공적으로 도출할 수 있었다. 또 다른 전이금속, 귀금속 기반의 단원자 촉매와 상용으로 널리 이용되는 백금 촉매의 성능 결정인자를 도출함으로써 개발한 진단기술의 범용성을 입증했다.

최창혁 교수는 “이번 연구성과는 최근 상용화에 근접한 철 기반 단원자 촉매의 성능평가 원천기술을 확보했다는데 가장 큰 의의가 있다”면서 “해당 기술을 활용해 고활성을 가지는 산소환원 촉매 개발을 통해 미래 수소 경제 활성화에 기여할 수 있기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘오픈어세스 미국화학회지’ 4월 13일자 온라인판에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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