수소 연료 전지에 사용되는 니켈 기반의 촉매 개발

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2009-12-14

니켈 기반의 촉매가 수소 연료 전지의 사용에 적합하게 개발되었다. 연료 전지는 물의 전기분해를 통하여 수소를 만들어서 에너지를 저장하게 된다. 또한 반대 반응은 저장된 에너지를 사용하는 데에 사용되는 반응이다. 하지만 이러한 연료전지는 일반적으로 비싼 백금이 촉매로 사용되어 왔기때문에 가격적인 면에서 비싸고, 연구개발에 많은 제한을 가져왔다. 프랑스의 조셉 푸리에 대학교(Universite Joseph Fourier)의 빈센트 알테로(Vincent Artero), 설지 팔라신(Serge Palacin)과 공동 연구원들은 니켈 금속을 기반으로 한 대체 촉매 반응을 개발하였다. 기존에도 미국 워싱턴 대학(Washington University) 재료공학자들은 상업용 촉매보다 2~5배 가량 더 높은 효율성을 달성할 수 있는 이금속 연료 전지 촉매(bimetallic fuel cell catalyst) 기술을 개발하여5월 14일자 `Science`에 온라인 판으로 발표됐다. 수상돌기형 백금 가지(dendritic platinum branch)로 팔라듐 핵(palladium core) 또는 팔라듐 씨앗(palladium seed)을 지지하는 구조로 이루어진 이금속 연료 전지 촉매를 개발하였다. 이 촉매는 높은 표면적을 가지고 있어 연료 전지 이외에도 다수의 응용에 적용할만한 가치가 있으며, 안정적이며 우수한 특성을 보여주었다. 이금속 촉매가 실온에서 최신 상업용 백금 촉매 보다 2.5배 가량 더 높은 효율성을 나타내며, 다른 인기 있는 상업용 촉매 보다는 5배 이상 높은 활성을 나타낸다는 사실을 확인했다. 이 기술은 백금 부하량을 상당히 낮출 것으로 기대되어 더 우수한 촉매를 제조하는 동시에, 세계적으로 값비싼 백금의 공급이 제한적으로 이루어지고 있는 상황에서 백금의 보다 효율적인 사용을 가능하게 할 것으로 기대된다. 또한 이번에 개발된 기술은 자연현상에서 일어나는 것을 잘 관찰하여 과학에 응용하였다. 자연에서는 철과 니켈리 포함된 하이드로제나시스-효소(hydrogenases - enzymes)의 도움으로 상호 전환 반응이 일어난다. 이러한 것에 착안을 두고, 니켈 비스다이포스핀(bisdiphosphine)의 복합체를하이드로제나시스-효소의 활동을 모방할 수 있게 되었다. 이러한 복잡한 구조에서, 비스다이포스핀 리간드(ligand)는 리켈을 안정화시키고 촉매 반응을 활성화시키게 된다. 연구원들은 리켈 혼합물을 변형시켜서 전도성 다중벽 탄소나노튜브를 접목하여 성능을 향상시켰다. 이러한 표면 개질은 연료 전지 기술에서 수중 조건하에서 촉매 반응이 더욱 활성화되는 특징을 보였다. 연구자들은 비귀금속 촉매를 1960년대부터 찾아왔으며, 몇 종류의 비귀금속 촉매가 몇 년간에 걸쳐 조사되었다. 연료 전지의 백금 전극을 대체하거나 혹은 감소시키려는 최근의 노력을 통해 최근 백금 기반 합금 및 나노와이어, 전이 금속 찰코게니드(transition metal chalcogenides), 탄소 나노튜브 지지의 금속 입자, 효소 전기촉매 시스템, 전도성 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 코팅 멤브레인과 같이 새로운 전기촉매가 개발될 수 있었다. 기존의 탄소 나노튜브를 이용한 연구를 살펴보면, 데이톤대(University of Dayton) 재료공학 교수인 리밍 다이(Liming Dai) 연구진은 몇 년 전부터 정렬된 탄소 나노튜브의 성장 및 기능화에 대한 연구를 진행하고 있다. 철 프탈로시아닌(iron(II) phthalocyanine)의 열분해(pyrolysis)로 생성된 수직 정렬 질소 함유 탄소 나노튜브에서 전기화학 정제에 의해 잔여 철 촉매가 완벽히 제거되면 암모니아 증기의 존재에 상관없이 효과적인 전기촉매로 거동할 수 있음을 발견하게 되었다. 연구진은 금속을 함유하지 않는 VA-NCNT가 4전자 ORR 프로세스에 대해 기존의 백금 전극보다 우수한 활성도, 일산화탄소 내피독성, 장기 구동 안정성을 나타내는 것을 확인하였다. 아직도 이러한 촉매는 상업화된 백금 촉매를 대체하기는 힘들지만, 이러한 연구 결과를 통하여 귀금속을 사용하지 않고 실제적인 응용 소자에 적용될 수 있는 가능성을 보여준 것이 상당히 고무적인 일로 평가된다. 자세한 내용은 첨부한 논문을 참고하기 바란다. 참고논문 : Le Goff, A. et al. From hydrogenases to noble metal?free catalytic nanomaterials for H2 production and uptake. Science 326, 1384?1387 (2009). 326_1384_F1.gif 326_1384_F2.gif 326_1384_F3.gif 출처 : http://www.nature.com/nnano/reshigh/2009/1209/full/nnano.2009.468.html