<사진. PtxY 9nm 나노입자의 High-angle annular dark-field (HAADF)-STEM 영상 및 EDS elemental map
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑>

연료전지의 원가를 낮춰 줄 높은 효율성의 나노입자

연료전지(fuel cell)는 유망하고 오염물 배출 없이 차량에 동력을 제공할 수 있지만, 사용되는 백금(platinum) 촉매는 매우 비싸서 어떤 현재의 기술도 경제적으로 대규모 규모확장을 막는 걸림돌이 되고 있다. 미국 에너지부 산하 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC National Accelerator Laboratory) 및 덴마크 공과대학(Technical University of Denmark) 과학자들은 값비싼 금속을 단지 1/5만 사용하는 대체 촉매를 개발하였다.

새로운 촉매는 백금과 훨씬 저렴한 이트륨(yttrium) 혼합물을 정교하게 조절된 크기의 나노입자 형태로 만들어졌다. 전자 현미경 및 엑스레이 관찰에 따르면, 이트륨 원자는 이 입자 표면으로 빠져나와, 백금 원자에 얇고 밀집되고 튼튼한 껍질을 남기는데, 이것이 산소분자를 물로 전환하는 연료전지의 핵심 반응을 크게 촉진시키는 역할을 하는 것으로 나타났다. 본 연구결과는 Nature Chemistry지에 7월 13일자로 게재되었다.

연구팀은 개발된 촉매가 예측한 대로 작용하는지에 대한 증명작업에 돌입하였다고 공동저자인 Daniel Friebel(SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis 소속)은 밝혔다. 다음 단계는 대량생산이 가능하도록 이런 나노입자를 더 효율적으로 제조하는 방법을 찾아내는 것이라고 덧붙였다.

얼마 되지 않지만 오늘날의 모든 전기 자동차는 배터리로 구동되며, 배터리는 무겁고 어느 정도의 에너지만을 저장할 수 있다. 이것은 전기 자동차가 널리 보급되고 있지 못하는 이유이다. 연료전지가 매력적인 이유는 작고 가벼우며 주유소에서 재충전이 가능한 수소탱크 하나로 구동이 가능하기 때문이다. 게다가, 차량의 배출물은 순수한 물 이외에는 아무것도 없다.

그러나 연료전지에서 산소분자를 분해하는 촉매는, 기존의 엔진 배기물로부터 발생하는 오염물질을 제거하기 위한 촉매변환기(catalytic converter)보다 5~10배 더 많은 백금을 사용한다. 백금의 가격이 온스당 $1,500 정도인 것을 감안하면, 연료전지를 자동차에 적용하기에는 매우 비싼 셈이다.

첫 번째 목표는 사용되는 백금의 양을 최소화하는 것이고, 이를 위해 나노입자를 사용해야만 했다. 이는 촉매반응이 촉매의 표면에서만 일어나기 때문이다. 입자의 크기가 작아질수록 더 넓은 표면적을 가지며, 내부 체적에 비례하게 된다.

그러나 입자의 크기가 작아질수록 점점 불안정해진다. 과학자들은 니켈과 같은 다른 성분과 백금을 결합시켜 순수한 백금보다 초기에는 뛰어난 성능을 발휘하는 촉매를 개발하였지만, 합금의 백금이 아닌 부위에서 부식이 발생하여 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

약 5년 전, 덴마크 공과대학에 근무했다가 현재 SUNCAT 디렉터로 있는 Jens Nørskov의 연구팀은, 백금과 이트륨을 함께 이용할 것을 제안하였다. 이트륨은 산소와의 반응을 좋아하고 안정성이 좋지 않으며, 합금은 합성하기도 어려웠기 때문에 이상한 제안으로 들릴지도 모른다. 하지만 독일의 회사에서 만든 첫 샘플은 안정적이고 괜찮은 촉매로 나타났다.

이 샘플을 나노입자로 만들기 위해, 덴마크공과대학 연구팀은 진공 체임버에서 합금에 아르고 이온(argon ion)을 처리하였다. 백금과 이트륨 원자를 타격하게 되어 냉각 시 서로 엉켜붙어 나노입자를 형성하였다. 과학자들은 이 입자들을 크기별로 분류하였고, 지금이 약 9나노미터 정도의 입자에서 최상의 촉매활성이 나타나는 것을 발견하였다. 오늘날 순수한 백금 촉매보다 5배 정도 높은 활성이었다.

연구팀은 나노입자를 SLAC의 스탠포드 싱크로트론 방사광소스(Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, SSRL)에 있는 엑스레이 빔을 이용해 조사하였으며, 무엇이 촉매활성에 기여하는지를 밝혀냈다. 더 큰 이트륨 원자가 입자의 표면에서 제거되면 표면에 껍질 같은 형상을 남기는데, 그 안에 백금 원자들이 보통의 경우보다 더 밀집된 형태로 존재하고 매우 안정적인 형태를 유지하는 것이었다.

촉매 상업화를 위해, 연구팀은 나노입자를 만드는 더 효율적인 방법을 찾을 예정이다. 또한 백금 껍질의 밀도를 조절하여 산소를 물로 더 빠르게 전환할 수 있도록 할 수 있는지도 연구할 계획이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr