POSTECH 이진우 교수팀, 개미산 연료전지용 촉매 개발

17세기 개미를 증류해 만들어져 처음으로 세상에 그 존재가 알려진 ‘개미산’은 개미 뿐 아니라 복숭아, 복분자 등의 과일에도 함유되어 있는 물질로 전기도금이나 약품 등에 활용되고 있다. 이러한 개미산을 이용해 저가의 연료전지 전극을 만들 수 있는 기술이 나왔다.

POSTECH 화학공학과 이진우 교수, 박사과정 심종민씨 연구팀은 블록공중합체의 자기조립 성질을 이용, ‘원-포트 합성법(one-pot)*1’으로 개미산 연료전지의 연료극으로 사용되는 새로운 촉매를 개발하는데 성공했다.
미국화학회가 발행하는 나노분야 세계적 권위지 ‘ACS Nano’지를 통해 발표된 이 연구성과는 연료전지의 가장 큰 장점인 효율과 안정성은 그대로 유지하면서 가격은 크게 낮출 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

최근 스마트폰, 태블릿PC 등 휴대용 전자기기 사용이 급증할 뿐 아니라 고출력 휴대용 전원에 대한 수요가 높아지면서 기존 2차전지를 대체하기 위해 연료전지에 관한 연구가 진행되고 있다.
개미산은 산화반응속도가 빠르고 상온에서도 반응이 진행될 뿐 아니라 그 효율이 메탄올 연료전지에 비해 우수해 액체연료전지의 연료로서 많은 연구가 이루어지고 있지만 여기에 활용되는 촉매는 백금이나 팔라듐을 이용해 생산원가가 올라갈 뿐 아니라, 반응 중 일산화탄소가 생성되면서 피독*2에 의해 안정성이 떨어지는 문제점을 안고 있었다.

연구팀은 메조포러스 탄소/실리카 복합체 내에 PtPb 금속간 나노입자들(intermetallic PtPb nanoparticles)이 잘 분산되어 있는 촉매를 합성하는데 성공했다.
또, 연구팀은 ‘원-포트 합성법’은 여러번의 정제 과정이 없이 하나의 반응용기에 차례로 물질을 집어넣어 한 번에 합성하는 합성법을 이용, 합성단계와 시간을 획기적으로 단축시켰다. 이와 함께 30nm 이상의 나노기공 구조를 제어할 수 있는 기술도 같이 개발했다.

연구팀이 개발한 새로운 촉매는 기존의 백금사용량을 50%로 줄였지만 장기 안정성이 확보됐으며, 최대 단전지 출력밀도가 Pt의 무게당 480 mW로 기존의 Pt(백금) 촉매에 비해 300% 이상 성능이 향상됐다.

한편, 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 ‘글로벌프론티어 사업’과 ‘중견연구자지원사업 (핵심연구)’의 지원으로 수행됐다.