백금을 대체할전극 촉매 연구 동향

대부분의 강력한 고효율 연료전지는 다량의 열과 공간을 필요로 하며, 좀 더 작은 소규모의 동작에 알맞은 연료전지는 귀한 고가의 백금을 다량 필요로 한다. 만약 미국의 모든 자동차를 연료전지로 전환한다면, 현재 알려진 매장량보다 더 많은백금이 필요하다. 백금자원의 추정 매장량은 기관에 따라 다르게 예측하고 있지만 자동차용 연료전지의 촉매로 사용될 양을 충족시키기에도 어렵다는 것은 일반적인 시각이다. 촉매연구의 중요한 부분은 백금을 대체하거나 획기적으로 백금의양을 줄이는 방법에 대한 연구에 관심이 많은 편이다.

경제적인 연료전지 설계
호주 모나쉬대(Monash University)의 과학자들이 최신의하이브리드 자동차에 사용되는 연료전지에 대한 설계를 혁신하고 있으며, 이는 차량을 좀 더 신뢰성 있고, 경제적으로 제작할 수 있게 만들 전망이다. 지난해 사이언스(Science) 저널에 발표된 이러한 획기적인 발전은 고어텍스(Goretex)라는아웃도어 및 스포츠 의류에서 인기 있는 하이테크 옷감을 특수하게 코팅 처리한 형태가 핵심 요소인 연료전지 설계에 있었다.

연구팀은 공기극(air electrode)을 설계하고 시험했다. 이 공기극에는 사람의 머리카락보다 100배더 얇은 0.4 마이크로미터의 두께를 가진 고전도성 플라스틱 미세레이어가 숨쉬는 천(breathablefabric) 위에 적층되어 있다. 이 전도성 플라스틱은 연료전지의 전극과 촉매제 역할을 동시에 수행한다. 브존 윈더 젠슨(Bjorn Winther-Jensen) 박사는 고어텍스가 아웃도어 의류산업을 혁신시켰던 것과 마찬가지로, 새로운 공기극이 자동차 운전자들에게 유사한 전망을 제공할 수 있다고 전했다.고어텍스가 외부 수분의 침투를 막고 몸속에서 발생되는 수증기를 통과시켜 여행자들에게 좀 더 편안함을 제공하고 저체온증을 감소시킨 것과 동일한 방식으로, 새로운 공기극은 산소를 연료전지 내로 통과하게 하고, 전도성 플라스틱과 접촉할 수 있게 한다.

도그 맥파레인(Doug MacFarlane) 교수는 이러한 발견이 지난 20년 간의 연료전지 연구 역사에 있어아마도 가장 중요한 발전이 될 것이라고 평가했다. 이러한 발견으로 인해 자동차 산업과 운전자들은 제조공정에서 현재 핵심이 되고 있는 촉매제로 작용하는 백금(platinum)을 사용할 필요가 없어졌다. 기존의 연료전지 차량의 경우 연료전지에 백금이 너무 많이사용되고 있어, 연료전지 차량이 산업화되더라도 모든 가솔린 엔진을 대체할 만큼 백금이 충분치 않다는 문제점이 있었다. 전세계 자동차와 트럭 7,80 0만 대에 연료전지를 장착하려면 백금 46,800t이 필요한데, 이것은 세계 백금 매장 추정량보다 약간 적은 양이어서 백금 품귀 현상을 초래할 가능성이 있었다. 현재 100kW의 전기 엔진을 가진 소형차에 사용되는 연료전지에 사용되는 백금의 가격은 100kW 가솔린 엔진의 전체 가격보다 더 비싸다. 또한 현재의 연간 백금 생산량은 3백만 대의 100kW 자동차를 만들 수 있을 정도에 불과하다. 3백만 대의 자동차는 현재 전세계 자동차 생산량의1/12보다 적은 양이다.

자동차에 사용될 연료전지의 문제점은 내구성과 비용이다.대체로 일본 자동차업계의 내구성 목표는 5,000시간이며 양 산에 의한 저비용화로는 고가의 백금촉매 비용문제를 해결할수 없다는 전망이다. 내구성과 관계된 연료전지의 열화 메커니즘은 해명되어 왔다. 실제로 자동차용 연료전지의 열화는주행거리가 아니고 발진·정지나 가감 속도의 횟수에 영향을 받는다. 정지나 가속에 수반되어 전극이 부분적으로 고전위가 되어 촉매를 고정하고 있는 탄소가 산화하거나 촉매 백금이 막의 안쪽에 용출되기도 한다.비용에 관한 최대의 장애물은 백금으로 양산하여도 내릴 전망은 없다. 현재 연료전지 차량 1대당 약 100g이나 사용되고있어 이것을 10분의 1인 10g으로 줄이는 것이 공통 과제가 되었다.

1대 10g이라면 현재의 가솔린 차량의 배기가스 정화 촉매에 사용되는 양으로 거의 같게 된다.호주 모나쉬대의 연구팀이 제작한 새로운 연료전지 설계는수소를 연료원으로 사용, 연속하여 최대 1500시간 동안 시험되었다. 시험 결과에 따르면 재료의 품질 저하나 성능 악화가발생한다는 조짐이 없었다. 또한 산소 변환 속도도 동일한 기하구조를 가진 백금 촉매 전극과 필적했으며, 백금 촉매를 사용할 때 발생하던 일산화탄소에 의한 백금 촉매의 부식도 발견되지 않았다. 가솔린 엔진의 배출가스에는 항상 일산화탄소가 존재하며, 기존의 연료전지에 있어 소량의 일산화탄소라도 백금 촉매를 부식시켜서, 궁극적으로 연료전지 전체를파괴시킬 수 있다. 모나쉬대 연구팀이 이룩한 연료전지 설계의 새로운 대안은 기존의 백금 촉매 연료전지보다 더 오래가며, 좀 더 경제적이고, 좀 더 쉽게 재료를 구할 수 있으면서도동일한 수준의 성능을 얻을 수 있다는 점에서 중요한 의미가있다.

ACAL Energy사(ACAL Energy Ltd.)는 백금을 사용하지않는 음극 기술을 이용하여 양자 교환막 연료 전지(PEMFC;
proton exchange membrane fuel cell)를 개발하여 지난해연말 이후 일관되게 570mW/cm2를 초과하는 최고 출력 밀도를 달성했다. 현재의 PEMFC는 가격이 비싼 단점을 갖고 있으나, 수소이온 전도성 고분자 막을 전해질로 사용하여 상온에서 작동하고, 출력 밀도가 높으며, 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 응용분야가 다양한 것이 장점이다. 이러한 수치는 액체의 백금을 사용하지 않는 음극 시스템(platinumfree cathode system)에서 새롭게 기록된 출력 밀도 수준이다.

게다가 이러한 수행력의 개선 수준은 목표 최고 출력 밀도인 1W/cm2를 금년내에 도달할 것으로 기대하고 있다. Flow Cath는 기존 연료 전지에서 사용되고 있는 값비싼 귀금속 촉매를 적절하게 낮은 비용으로 액체 촉매로 대체할 수있다. 이러한 상황은 연료 전지의 비용을 낮출 뿐 아니라 시스템의 단순화를 통하여 상당한 내구성과 신뢰성을 제공할수 있으며, 표준 연료 전지에서 사용하는 대부분의 일반적인 고장 메커니즘을 제거할 수 있게 한다.

ACAL Energy사의핵심 기술은 액체 촉매 화학(liquid catalyst chemistry)에 있는데, 백금과 동일한 출력 밀도를 공급할 수 있는 폴리옥소메탈레이트(POM; polyoxometallate)라는 수용액에서 만들어지는 무기 복합체를 이용했다.

연료전지 상용화를 위한 성과 눈앞에

고체고분자형 연료전지(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell)의 본격적인 보급을 위해서는 현재 상품화가 진행되고있는 수준보다도 가격대비 향상된 성능, 장수명화 및 저비용화가 요구되고 있다. 따라서 귀금속인 백금의 사용량을 대폭저감시킨 고내구성 PEFC용 전극의 실용화가 필요한 실정이다. 그러한 전극으로는 초소량 백금계 촉매 담지 전극(ULPLE; Ultra-Low Platinum Loading Electrode)이 있다. 그러나 이 전극을 양산하기 위해서는 수소환원, 세정 등촉매 담지를 위한 대형설비가 필요하게 된다.

이 문제를 해결하기 위한 방법으로는 카본과 그것을 피복시킨 아이노머(Ionomer)의 클러스터와의 접촉면에 나노크기의백금계 촉매입자를 선택적으로 담지시킨 초소량 백금계 촉매담지 카본분말(ULPLC; ultra-low platinum loading carbon powder)이 있다. 이 분말을 이용하여 시중에 판매되고 있는 백금 담지 카본분말과 마찬가지로 가열, 압축공정만으로 백금의 담지량을 대폭 감소시킨 전극을 제조할 수 있다.따라서 전극 구성부 재료의 비용뿐만 아니라 그 전극의 제조에 필요한 설비비용 및 시간을 대폭 저감시킬 수 있다.상세한 기술개발 내용은 ULPLC와 아이노머를 포함한 슬러리를 분무건조하여 입자를 제조 과정에서 백금을 담지시켜 ULPLC에tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene(FEP)을 이용하여 발수성을 부여함으로써 셀 전압의 저하속도가 저감한다는 것을 밝혀냈다.

이 기여는 전극의 전위소인의 반복에 수반되는 전기화학적으로 활성화된 표면적의 감소를 확실히 제어할 수 있었다. 또한 ULPLC 기술을 이용하여제조된 초소량 백금-루테늄 이원합금 담지 카본분말에 담지된 합금의 루테늄 함유율이 40%일 때 내CO피독 성능이 가장높았다.초소량 백금계 촉매 담지 카본분말의 최적 제조조건 및 초소량 백금계 촉매 담지 카본분말을 이용한 전극의 최적 형성조건에서 제작된 저비용 전극 및 막/전극접합체(MEA)의 생산성과 비용을 종래의 백금계 촉매 담지 카본분말을 이용한것과 비교, 검토하였다. 그 결과 저비용 전극 및 MEA는 종래의 백금 담지 카본분말을 이용한 것과 동일하게 가열, 압축공정만으로 제조할 수 있었다. 또한 전극과 MEA 특성에 미치는 제작조건의 영향은 매우 적은 것으로 나타났다. 전극제조및 MEA제조에서 생산성 및 비용은 종래의 촉매분말을 이용한 것과 동등한 수준이다. 초소량 백금 촉매 담지 카본분말을이용한 전극(230㎠)을 갖춘 MEA를 제작한 후 그 MEA를 연료전지 환경시험장치에서 1,100시간 연속발전시험을 실시한결과, 초소량 백금계 촉매 담지 카본분말의 실용성능은 높은것으로 나타났다.

수송용으로 적합한 PEFC 스택 연구

일본 NEDO에서 Pt를 도외시한 전이금속만을 대체전극으로 하는 연구에 따르면 4, 5족 천이금산화물은 산성전해질 중에서 높은 안정성을 갖는 촉매성능을 보여주고 있다. 이를 계기로 산화지르코늄, 산화티탄, Ta 텅스텐 복합수산화물, 피복 텅스텐 캐소드 등 지금까지 활용되지 않았든 비 백금 재료가 안정성과 산소환원촉매활성을 갖는 것으로 나타났다.연료전지에서 고체고분자형 연료전지(PolymerElectrolyte Fuel Cell, PEFC)는 이론상 발전효율이 높고,
NOx 배출이 없으며, 저온작동과 기동정지가 용이하다. 또한 전지구조의 유연한 설계가 가능하여 소형화가 용이하고, 소음 진동이 없는 장점이 있다. 그래서 PEFC는 자동차용, 소형 코제너레이션과 마이크로 연료전지로 기대가 크다. 수소를연료로 할 때 PEFC의 전극반응은 아래와 같다.

연료극: H2(g) → 2H 2e-(수소산화반응)
산소극: 1/2O2(g) 2H 2e- → H2O(l)(산소환원반응)
전지반응: H2(g) 1/2O2(g) → H2O(l)

산소환원반응(ORR)은 반응 과전압이 훨씬 커서 에너지 전환효율을 크게 저하시킨다. 현재는 ORR촉매로 백금과 백금합금이 사용되는데 실온에서 이론전압 1.23V에서 0.3V 정도의 과전압이 발생한다. 환경부하 저감을 목표로 하는 연료전지로서 이 과전압을 감소시키는 것이 필수로 백금의 촉매능을 추월하는 새로운 촉매가 요구된다. 현재 기술 수준에서100kW급 연료전지차에는 100g의 백금이 사용되고 있다.

특히 격렬한 부식 환경인 음극의 이용량이 많다. 그래서 전체 백금을 연료전지차에 사용하면 4억대 정도가 제작된다.결국 세계에는 9억대의 자동차가 있는데 현재의 사용량대로라면 연료전지차가 도저히 주류로 되기 어렵다. 이에 백금의합금화 등의 방법이 연구되나 음극의 백금 용해열화가 문제로 되어 사용량의 저감은 한계가 있다. 연구자들은 새로운 비백금 촉매로서 종래에 알려지지 않은 Ta산질화물을 산소환원촉매로 연구하였다. 이는 산성전해질 중에서 높은 안정성을 갖는 비백금 촉매능을 보여주었다. 이를 계기로 산화지르코늄, 산화티탄, Ta텅스텐 복합수산화물, 피복 텅스텐 캐소드 등 지금까지 활용되지 않았든 비백금 재료가 안정성과 산소환원촉매활성을 갖는 것으로 나타났다.산화성분위기에서 높은 안정성을 갖는 4, 5족 전이금속산화물과 질화물을 중심으로 신규 캐소드 촉매개발을 행하였다.

당해 연도는 지르코늄산화물계 촉매의 산소환원 촉매능의 영향을 주는 인자의 추출을 목적으로 하였다. ZrO2의 최고산화상태는 4.6eV의 밴드갭과 가전자대의 상단 에너지준위는3.0V vs. SHE(진공준위기준으로 -7.4eV)로 안정화 근사치를 갖는다고 생각하였다. 이 연구는 재현성이 좋은 촉매 제작으로 반응성 증착법으로 지르코늄 박막화합물을 제작하여 표면과 기판온도 등의 변수를 가해 촉매능을 검토했다.실험방법으로 증착의 타깃은 금속 Zr로서 Ar, N2, O22 혼합가스 중에서 글래시카본로드를 기판으로 하여 그의 원형단면에 성막한다. 챔버는 1.0×10-3Pa 이하로 감압하고 N2유량, O2유량과 Ar유량 각각 25, 0.15, 5cm3/min로 한다. 할로겐램프로 기판을 가열하고 기판온도를 70, 500, 800℃로 하면서 성막한다. 챔버 내의 전압은 5.0×10-1Pa로 가스분압은 각각 Ar: 8.6×10-2 Pa, N2: 4.1×10-1 Pa, O2: 1.7×10-3 Pa이다. 성막시간은 80분, 증착출력은 150W이다. 성막된 화합물의 조성은 제작조건에 의존하기 때문에 제작한화합물은 ZrOxNy로 표시한다. 전기화학측정은 3극식셀을사용하고, 전기화학 안정성의 평가는 N2분위기에서 사이클릭볼타모그람으로 측정하였다.

산소환원 촉매능의 평가는N2/O2 분위기에서 O2분위기의 전류로부터 N2 분위기의 전류차를 산소환원 전류로 한다. 산소환원 촉매능의 파라미터로산소환원전류밀도 iORR이 -0.2㎂/cm2시의 전위를 산소환원개시전위 EORR로 하였다.기판가열온도를 변화시켜 제작한 박막의 전기화학적 안정성을 검토했는데 기판온도를 70, 500, 800℃로 변화시키면서 제작한 ZrOxNy는 산성전해질 중에서 높은 전기 화학적안정성을 유지하는 것으로 확인되었다.

70℃의 경우 산소환원 개시전위 EORR는 0.53V로 산소화원촉매능이 낮다. 800℃에서 가열기판촉매의 EORR로는 0.80으로 기판가열이 산소환원 촉매능을 향상시키는 데 유효함을 알았다. 기판온도의 상승과 함께 결정상의 증가가 관찰되었다. ZrOxNy에 한정하지 않고 TaOxN, TaCxNy, ZrO2-x, TiOxNy, CrCxNy의 시료에서도 정도의 차이가 있으나 기판온도의 상승과 더불어 산소환원 촉매능이 증가하였다. 이는 결정성 등의 물리적 요인이 영향을 미치는 가능성이 있다.

기판온도의 상승과 함께 ZrO2→Zr7O8N4→Zr2ON2로 질화가 진행하면서 결정성이 증가한다. 800℃에서 제작한 경우고활성을 보여 Zr2ON2가 높은 산소환원 촉매능을 갖는 것으로 생각된다. 기판온도를 800℃로 유지하면서 증착시의 가스분위기를 변화시키면서 제작한 ZrOxNy의 산소환원 촉매능을 검토한다. EORR와 PN2와의 관계에서 N2가 증착 시에 포함되지 않는 경우는 EORR가 0.2-0.5V로 대단히 낮다. PN2가 0.2Pa 이상이면 EORR가 0.7V로 되어 N2의 존재가 필요하다. 따라서 반응성 증착으로 제작한 박막촉가 높은 산소환원 촉매능을 갖기 위해서는 증착 시 가스에 N2와 적절한 O2를 함유하는 것이 중요하다. 이는 지르코늄의 질화와 적절 산화가 이러한 분위기의 도입이 중요함을 나타낸다. 기판온도를 변화시키는 경우와 같이 가스분위기를 변화시키는 경우도높은 산소환원 활성을 갖는 촉매는 Zr2ON2임이 관찰되었다.

Zr2ON2는 박막 X선으로 구조를 확인하고 평균조성은 RBS로 확인한다. Zr:O:N의 원자비는 36:25:39%로 Zr2ON2의 이론치에 접근한다.순물질의 Zr2ON2는 이 연구에서 제작한 Zr2ON2에 비해 산소환원 촉매능이 낮을 것으로 예상한다. 그래서 결정성이 높은 Zr2ON2의 구조를 갖는 Zr 박막의 표면전자 상태를 조사하기 위해 이온화 전위를 측정한다. 이온화 전위는 전극 내의가전자대 전자를 표면에서 떼어내는 데 필요한 에너지이다.순물질의 Zr2ON2는 이온화 전위는 5.6eV이고 ZrO2는 7.4eV로서 Zr2ON2로의 진행은 조사광 에너지와 광전자 방출수의실험에서 5.1eV에서부터 광전수의 증가가 관찰된다. 일반적으로 산화물의 이온화 전위는 금속표면에의 산소흡착과 같이증가하고 역으로 산화물 표면의 결함 밀도의 증가와 같이 감소한다.

 그래서 Zr2ON2표면은 산소 또는 질소의 결함을 생성할 가능성이 큼을 시사한다. 또한 산소환원반응이 정상적으로 진행하기 위해서는 산소분자와 촉매 표면이 적당히 결합상태를 유지해야 한다. 가장 높은 산소환원 촉매능의 Pt의 산소분자의 초기 미분해리흡착 열과 산소원자와의 흡착결합에너지는 276/385kJ/mol이고, 금속 Zr의 것은 887/690kJ/mol로서 Pt와 비교해 상당히 높다. 따라서 표면에 결

함을 도입하고 적절한 산화상태를 갖게 결정구조와 촉매능의 상관관계를 더 연구할 필요가 있다.

부분 산화한 Ta탄소질화물 분말촉매 연구

Ta탄소질화물과 Ti기판의 역할을 명확히 하기 위하여 Ta탄소질화물 분말만을 부분 산화처리하고 집전체로서 카본분말과의 혼합이 산소 환원전류에 기여하는 효과를 검토하고 이결과를 기준으로 카본 분말과의 혼합에 의한 촉매층을 형성하고 단셀 발전시험을 행한다. 경 X선 광전자분광 측정으로분말촉매의 특성분석을 시행했다.TaC0.58N0.42을 출발물질로 하여 0.25%의 질소를 함유하는 N2/H2를 100cm3/min로 튜브식 전기로를 사용하여 1000℃에서 유지시간을 변화시켜 부분산화 처리한다. XRD로 얻어진 시료의 결정구조 조사와 경X선 광전자분광 측정을 시행한다. 3전극식 셀을 사용하여 0.1mol 황산수용액 30℃에서 전기화학 측정을 행한다.

산소환원 촉매능의 평가지표는EORR가 -0.2㎂/cm2일 때의 전위를 산소환원 개시전위EORR로 한다. 셀시험은 무게비 1:1의 부분 산화한 Ta탄질화물(Ta-C-N-O)과 KB(Ketjen Black)를 용매로 분산한 열처리하여 Ta-C-N-O-KB 전극을 얻고, 애노드는 Pt/C, 전해질막은 Nafion112를 사용한다. 발전시험은 셀온도 80℃, H2포화가습, O2 무가습 등의 조건을 적용한다.

TaC0.58N0.42를 출발물질로 하여 부분산화 처리시간을 변화시킨 시료의 XRD 회절패턴은 질소함유량이 증가함에 따라각 피크가 서서히 TaN의 조성으로 이동한다. TaC로부터TaN 사이의 피크를 갖는 것을 TaCxNy로 표기하는데, 이의산화 정도를 표시하는 지표로 산화도(DOO: Degree OfOxidation)를 도입한다. DOO치가 TaC0.58N0.42는 0, Ta2O5는 1이며 유지시간이 길수록 DOO가 1에 가까울수록 산화가진행된다. 전극촉매로 사용하는 경우 TaC0.58N0.42는 산화가진행되면서 전도율이 저하하여 곤란하다. 여기에 카본블랙(KB)을 7% 가해 작용극으로 제작한다. 이러한 KB의 첨가 유무에서 산소환원전류가 0.6V에서 60배 증가한다. Ti기판에전착 후 부분 산화시킨 촉매가 산소환원 촉매능을 가지나 이결과에 의하면 Ti 기판은 집전체로서의 역할만 갖는 것이 확인되었다. DOO가 0.3 이상 0.97 이하의 범위에서 산소환원개시전위가 0.85V 이상의 높은 값을 갖는다.

이는 어느 정도부분산화가 진행하면 높은 촉매능을 갖는 것으로 생각한다.또한 시판의 Ta2O5의 촉매능은 극히 낮은데 이 연구에서 부분산화 처리한 Ta2O5는 DOO=0.97의 높은 값을 보여TaC0.58N0.42표면에 C와 N의 잔류나 산소결함이 생성한다고 예측된다.Ta-C-N-O는 산소환원 촉매능을 갖고 이를 카본블랙과혼합하여 큰 산소환원전류가 도출되는 것을 알았다. Ta-CN-O를 카본블랙과 혼합한 촉매층을 갖는 수소/산소셀은 80℃, 가압에서 전류밀도가 상압시 보다 비약적으로 증대하여0.23V에서 1Acm2가 도출된다.

부분 산화한 Zr탄소질화물 분말촉매 연구
Ta의 경우 연구에 적합하나 자원량이 적은 문제가 있어 자원량이 풍부한 Zr탄질화물은 부분 산화하여 고활성인 산소환원 촉매를 제작하고 이때 부분산화 처리시 산소분압 제어가곤란한데, 이를 최적화하고 활성이 산소분압에 어느 정도 의존하는지 검토했다.ZrO2/카본분말의 혼합물을 열처리하여 Zr-CN을 얻고 제어된 O2/N2를 고온 부분산화 처리하여 Zr-CNO분말을 얻는다. 여기에 5wt%KB를 혼합 유리카본 상에 도포하여 작용전극으로 한다.

참조극은 가역수소전극(RHE), 대극으로 카본플레이트를 사용한 3전극식 셀을 사용하여 0.1M 황산수용액30℃에서 전기화학 측정을 행한다.산소분압의 증가와 함께 산소환원 개시전위가 상승하고 산화가 진행한다.

이로써 1000℃, 20h에서 부분산화 열처리하여 산소진행과 함께 산소환원 촉매능이 향상한다. 그러나산소분압이 10-22에서 10-18 영역에서 처리한 분말은 부분산화가 충분치 못하여 산소환원개시전위가 0.6V 이하로 산화처리 영향이 낮다. 산소분압의 증가는 XRD 상에 ZrO2의모노클리닉 결정상이 증가하면서 산소환원 활성에 기여하고 있다.부분산화시의 산소분압을 제어하여 처리온도 1000℃, 20h를 고정하여 처리한 Zr탄질화물은 산소환원개시전위가 산소분압의 대수에 직선성 상승이 확인되었다. 부분산화 처리한분말의 XRD 패턴은 산소분압의 증가와 더불어 ZrO2 모노클리닉 성장이 확인되었다. 이는 산소환원 활성에 기여한다.

고체고분자형 연료전지의 캐소드 촉매의 탈백금화를 목적으로 Zr화합물의 산소환원 촉매능에 영향을 주는 인자를 추출한다. 반응성 증착법을 사용하여 증착시의 기판 가열온도와 가스분위기를 변화시키면서 박막촉매를 제작하고 산소환원 촉매능과 물성에 끼치는 영향을 조사하였다. 높은 산소환원 촉매능을 갖는 촉매는 Zr2ON2 구조를 갖는 것으로 확인되었다. 낮은 이온화전위치로부터 표면에 결함을 생성시켜 그것이 활성 사이트로서 행동하는 가능성이 있음을 알았다.분말촉매로 Ta탄소질화물에 주목하여 미량의 산소를 함유하는 질소분위기하에서 열처리하여 부분 산화시킨 분말촉매Ta-C-N-O의 산소환원 촉매능을 검토했는데 Ta-C-N-O는 산소환원 촉매능과 카본블랙과 혼합하여 큰 산소환원전류가 도출되었다. 산소환원 개시전류로 0.90V를 얻었다.

Ta-C-N-O를 카본블랙으로 혼합한 촉매층의 수소/산소 셀은80℃, 가압 하에서 전류밀도가 상압보다 비약적으로 증대하여 0.23V에서 1Acm2가 도출되었다. 자원량이 풍부한 Zr탄질화물을 부분 산화함으로써 높은 산소환원 활성을 갖는 분말촉매를 제작하였다. 산소환원 촉매능을 갖는 것은 어느 정도산화하는 것이 필요하며 다음으로 ZrO2모노클리닉이 산소환원 활성에 기여하고 있는 가능성이 있는 것이 알려졌다.이들 결과로부터 산업에의 파급효과는 정치용, 이동용과 휴대용 연료전지의 백금대체 캐소드촉매 개발을 행하였다. 여기서 개발한 분말촉매는 현 단계에서 백금보다 촉매능이 낮다. 분말촉매의 실표면적의 평가가 곤란하기 때문에 정확한비교가 곤란하나 대강 수십 분의 일 정도로 생각된다. 이번에 제작한 분말촉매의 입경은 수백 nm로부터 수㎛이다. 이를미세화하여 표면적을 확대하면 백금과의 차이를 줄일 수 있다. 금후 R&D는 이의 관점을 확대할 필요가 있다.