백금 촉매의 안전성에 대한 연구

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2009-12-18

고분자 전해질 연료전지의 내구성을 크게 증가하는 새로운 탄소 지지체를 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(Pacific Northwest National Laboratory)와 프린스턴 대학(Princeton University)의 연구진이 개발했다. 이 새로운 물질은 연료 전지 촉매의 안정성을 상당히 향상시키고 잠재적으로 연료 전지 제조비용을 낮출 수 있을 것이다. 이 놀라운 연구결과는 Electrochemistry Communications에 게재되었고 여기서 가장 많은 관심을 받았다. 현재, 고분자 전해질 연료전지는 높은 제조비용과 상대적으로 낮은 내구성 때문에 널리 사용되지 않는다. 상업적으로 사용가능하기 위해서는 비용을 매우 감소시킬 필요가 있다. 이 새로운 탄소 지지체는 이것을 가능하게 할 수 있다. 오늘날의 대부분 연료전지는 반응을 촉진하기 위해서 백금 촉매를 사용한다. 연료 전지 내부 환경은 고압, 고온 등으로 인해서 매우 열악하다. 이런 조건 하에서, 일부 백금 입자들은 지지체에서 흩날려서 반응을 촉진하는 역할을 할 수 없게 된다. 또한 일부 입자들은 서로 응집한다. 이것이 발생할 때, 입자는 더 적은 표면적을 가지게 된다. 이것이 반응을 발생하는 표면이 된다. 따라서 더 적은 표면적은 더 적은 촉매 작용을 이끈다. 연구진은 이것을 극복하기 위해서 새로운 종류의 지지체를 조사했다. 연구진은 기능성 그라핀 시트(graphene sheet)로 불리는 조밀한 주름진 시트를 형성하기 위해서 연필에 사용되는 탄소와 유사한 흑연을 단일 원자층으로 잘랐다. 그 후에, 연구진은 이 그라핀 시트에 백금 촉매를 처리했다. 투과 전자현미경을 사용해서, 연구진은 촉매 입자가 그라핀 시트와 상업적 지지체에서 어떻게 부착되는지를 확인해서 그 차이점을 관찰했다. 사진으로 그라핀 위에 훨씬 더 작은 백금 나노입자가 균일하게 분산되는 것을 분명히 관찰되었다. X-선 광전자 분광계(photoelectron spectrometer)를 사용해서, 연구진은 그라핀이 상업적 지지체와 비교할 때 백금 촉매와 더 잘 결합할 수 있는 작용기를 가진다는 사실을 증명했다. 두 개의 측정 장비는 DOE의 EMSL에 있는 것을 사용했다. 이 연구결과는 그라핀 시트가 더 강한 금속 상호작용을 하고 분해에 더 잘 저항하는 더 작은 촉매를 생성할 수 있다는 것을 증명했다. 기능성 그라핀 시트는 더 안정적이고, 효율적이며, 더 저렴한 연료전지를 만들 수 있을 것이다. 이 연구는 유망한 탄소 물질에 대한 미래 연구에 초석이 될 것이다. 미래 연구는 그라핀 시트의 내구성과 물질 제조 효율성을 증가하는데 초점을 맞추어야 할 것이다. 이 연구결과는 Electrochemistry Communications에 “Enhanced activity and stability of Pt catalysts on functionalized graphene sheets for electrocatalytic oxygen reduction." 이라는 제목으로 게재되었다. 그림. 기능성 그라핀 시트 위에 부착된 작은 백금 촉매 입자의 투과전자현미경 사진. asearchforst.jpg 출처 : http://www.physorg.com/news180286762.html