환경기술특허연구회

수소로 전기를 만드는 연료전지에는 반드시 ‘촉매’가 필요하다. 지금까지는 값비싼 귀금속인 백금을 사용했는데, 이를 값싼 금속으로 대체할 길이 열렸다. 국내 연구팀이 나노물질로 철을 누에고치처럼 감싸는 신기술로 새로운 촉매를 합성해 냈기 때문이다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 백종범ㆍ김건태 교수팀은 8일 2차원 유기 고분자를 이용해 백금을 능가하는 철 촉매를 개발했다고 밝혔다.

2차원 유기 고분자가 철분자를 감싸는 모습을 형상화했다. - UNIST 제공

연료전지는 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 만들고 물만 배?? 바뀌는 산소환원반응 과정이 필요하다. 이 과정에 필요한 촉매로 현재 낮은 전압에서도 효율적으로 전자를 전달하는 백금이 주로 쓰인다. 

연구팀은 백금 대신 값이 싸고 쉽게 구할 수 있는 철을 이용하는 방법을 찾아냈다. 철이 녹슬지 않도록 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 크기의 2차원 유기고분자(C₂N, )로 돌돌 감아서 반영구적으로 쓸 수 있는 안정성을 확보했다. 백금 이상으로 효율적 촉매 역할을 하는 것도 확인했다.

이 기술의 핵심은 2차원 유기고분자로 철을 누에고치처럼 완벽하게 감싸는 데 있다. 2차원 유기 고분자는 그래핀처럼 한 겹의 막으로 이뤄져 있는데 규칙적으로 구멍이 뚫려 있고, 각 구멍마다 질소 원자가 규칙적으로 배치돼 있다.

철 이온을 2차원 유기망상구조로 감싸는 과정 - UNIST 제공

연구팀은 질소 원자 위에 철 이온을 고정시킨 뒤 열처리하면 철 입자를 중간에 둔 채 2차원 유기고분자가 누에고치처럼 이를 감싸게 된다는 것을 발견했다. 이를 통해 나노 크기의 철 입자를 중심으로 2차원 망상 유기고분자가 탄화되면서 몇 겹의 완벽한 그래핀 층을 형성돼 안정성과 효율이 높아진 철촉매가 생성된다.

백종범 교수는 “연료전지를 포함한 금속공기전지의 상업화에 가장 큰 걸림돌인 귀금속 촉매의 가격과 안정성 문제를 해결할 가능성을 연 것”며 “철 이외의 다른 금속을 이용해 기존 여러 산업 분야에서 쓰이는 촉매에도 적용 가능할 것”이라고 말했다. 그는 이어 “백금을 대체할 정도로 우수한 철 촉매를 개발한 이번 기술은 ‘현대판 연금술’이라고 불릴 정도로 새로운 발견”이라고 덧붙였다.

이 기술은 세계적인 과학저널 ‘나노 에너지(Nano Energy)’와 ‘미국화학회지(JACS)’ 2월호에 연달아 실렸다. 특히 미국화학회지(JACS)는 이번 연구를 최신호 표지로 선정한 바 있다.