College Of Engineering
서울공대 이야기
국내연구진, 저가(低價)로 생산가능한 연료전지 원천기술 최초 개발
- 서울대공대 성영은 교수 연구팀 -

            
 
   현재 수소연료전지차를 생산하는 데 수억원 정도 든다. 이렇게 비싼 이유는 연료전지에 비싼 백금을 사용하기 때문이다. 연료전지에 사용되는 백금은 전기를 만드는 촉매제로 연료전지는 이 정밀가공한 얇은 백금전극 수십 층을 포개서 수백V의 전기를 얻는다. 또한 백금 수명이 길어야 3년이기 때문에 연료전지에서 백금을 대체할 물질을 개발하면 노벨상을 받게 될 것이라는 얘기가 있을 정도로 연료전지 상용화에 있어서 이 문제는 넘어야할 산이다.
 
  서울대학교 공과대학(학장 강태진)의 화학생물공학부 성영은 교수 연구팀은 백금이 최저 5%만 들어간 팔라듐-백금 합금 나노입자를 사용하여 연료전지에서 백금의 양을 획기적으로 줄이면서도 고성능을 보인 연구결과를 화학 분야에서 세계 최고지명도를 자랑하는 ‘앙게반테 케미지 국제판(Angewandte Chemie International Edition, 영향력지수(Impact Factor) 10.031)’ 11월호(2008, 47(48), 9307–9310)에 게재하였다.
 이번 연구 결과는 향후 수소경제를 이끌 연료전지의 국내 독자적 원천기술 확보 뿐 아니라 이 분야의 학술적 성과를 냄으로 한국이 이 분야를 주도할 수 있는 가능성을 보여주는 결과이다.
 
  성 교수팀은 고성능 연료전지 촉매 개발을 위한 연구를 진행하던 중 특히 백금-팔라듐 합금 촉매를 사용하면, 수소산화반응이 높아진다는 결과에 주목하였다. 하지만 지금까지 알려진 이론으로는 수소산화반응이 낮아져야 하는데 실험결과는 정반대였다. 성교수팀은 세계최초로 in-situ (제자리) 분석이라는 특수장비를 방사광가속기에 부착하여 관찰한 결과 자발적 수소 흡수 현상으로 팔라듐과 합금된 백금이 수소산화반응에 훨씬 더 유리하게 반응이 일어난다는 것을 처음으로 입증하였다. 어떤 촉매가 어떤 특성을 가져야 수소산화반응에 뛰어난지를 이론적으로 그리고 실제적으로 보여준 결과였다.
 
  연료전지는 수소와 산소의 산화.환원작용을 이용해 전기를  발생시키는  것으로 자동차, 노트북 컴퓨터, 휴대용 전자기기 등을 위한 차세대 동력원으로 각광받고 있다. 대한상의는 오는 2030년 세계 수소연료전지 시장이 연 간 1500억달러 이상 규모를 형성할 것으로 내다봤다. 수소생산-저장-운송-연료 전지 교체수요까지 포함하면 시장규모가 연간 1조달러를 넘어설 것이란 분석도 있다. 수소연료전지 시대에 대비해 미국, 유럽, 일본 등 선진국들은 핵심기술 선점을 위해 정부지원과 시범사업을 활발히 진행 중이다.
 
  현재 연료전지 분야에서는 기존 연구품의 성능을 10%만 올려도 획기적인 연구로 평가되는데, 성 교수팀은 지난 2003년에도 연료전지에 사용되는 탄소나노코일을 공동 개발해 백금 사용량을 크게 줄이는 연료전지 원천기술을 확보하였으며, 그 공로를 인정받아 교육과학기술부와 한국과학기술한림원이 수여하는 제7회 젊은 과학자상을 수상한 바 있다.

자료문의 : 성영은 교수
TEL : 02-880-1889, HP : 010-4477-5610, e-mail : ysung@snu.ac.kr
참고 : ‘젊은 과학자상’은 21세기 우리나라의 과학기술계를 이끌 40세 미만의 젊은 과학자를 발굴, 포상하고자 1997년 제정되었으며 이학부문과 공학부문으로 구분하여 2년마다 선정하고 있다. 수상자에게는 대통령상장과 부상으로 1억5천만원의 연구 장려금이 지급된다.
 
<연구성과 관련 참고자료>

연료전지는 전해질의 종류에 따라 여러 형태가 가능하나 그 중에서도 고분자연료전지(PEMFC)가 자동차 등에 가장 적당한 것으로 판단되고 있다. 즉, 고분자연료전지는 작동온도가 비교적 낮고, 소형화가 가능하고, 에너지 밀도가 크며, 연료로서 수소 또는 메탄올이 가능하므로, 분산 에너지이용 시스템의 한 축으로서 활용될 때 크기와 조합에 유연성을 발휘할 수 있다. 수소와 메탄올을 연료로 사용하는 연료전지는 이론적 효율이 >83%이고 전위값은 이론적으로 약 1.2 V가 된다. 고분자연료전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자전해질로 사용하며 이것을 사이에 두고 있는 연료극(anode)과 공기극(cathode)으로 구성되어 있다. 연료극에는 연료(수소, 메탄올 등)의 산화반응, 공기극에서는 산소의 환원이 이루어진다[그림 1].


<그림 1. 고분자연료전지의 개략도>

연료극과 공기극에서는 현재 값비싼 백금 나노입자를 촉매로 사용함으로 이것이 연료전지의 상업화를 가로막는 가장 큰 장애물로 작용하고 있다. 성 교수팀은 이 백금 사용량을 획기적으로 줄여 연료전지의 상업화가 가능하게 하는 길을 여는 연구를 진행해 왔다.


특히 연료극에서 일어나는 수소산화반응은 연료전지에서 가장 기본이 되는 중요한 반응이다. 연료극에서 수소산화반응은 두 개의 다른 반응 경로로 진행이 되고, 주로 두 개의 전자 반응을 통해서 일어난다고 보고되고 있다. 그 반응 메커니즘은 수소원자가 촉매에 흡착이 일어나는 Tafel-Volmer와 흡착되어진 수소원자에서 전자가 빠져나가면서 일어나는 Heyrovsky-Volmer 메커니즘이 있다. 두 반응 중 rate-determining step(반응결정단계)은 Heyrovsky-Volmer 메커니즘을 따르고 있지만, 아직까지 위 현상을 정확히 설명하는 논문은 보고 된 바 없다. 최근들어 수소산화반응에 대해서 촉매적 활성과 양자역학적, 특히 전기적 구조와의 연관성에 대해 조금씩 연구되고 있는데 페르미 준위의 d-band라는 전자의 위치와 수소-촉매의 결합 에너지와의 연관관계에 대한 연구가 그 예이다.


이번 성교수팀의 연구 성과는 촉매의 수소산화 활성과 d-band라는 전자 구조와의 관계를 본 연구팀이 독자적으로 제작한 특수 측정장비로 확인하여 최적의 촉매가 가져야 할 요소가 무엇인지 발견해다는 점이다. 이는 새로운 고활성 저가 촉매가 가져야 할 이론적 규명을 통한 학문적 성과와 동시에 연료전지 개발을 위한 독자 원천기술을 확보할 수 있도록 하였다. 


성교수팀은 고성능 연료전지 촉매 개발을 위한 연구를 진행하던 중 특히 백금-팔라듐 합금 촉매를 사용하면, 수소산화반응이 높아진다는 결과에 주목하였다. 하지만, 이에 대한 정확한 원인 규명을 할 방법을 찾지 못했는데 그 이유는 발표되어 있는 이론적 배경지식과 실제 실험 결과가 서로 상반된 결론을 보였기 때문이다. 즉, 이론적으로는 백금-팔라듐 합금촉매는 팔라듐에 의해 백금의 d-band 전자구조의 중심이 낮아지고, 이로 인해 백금과의 수소 결합에너지가 낮아져서, 수소산화반응이 낮아져야 했다. 성교수팀은 포항방사광가속기에 세계최초로 in-situ (제자리) 분석이라는 특수장비[그림 3]를 부착하여 백금-팔라듐 합금 촉매의 수소산화반응 시 팔라듐의 자발적 수소 흡수 현상이 관찰되는 현상을 발견하였고 이 현상이 모든 문제의 원인임을 알아내었다. 이 자발적 수소 흡수 현상으로 팔라듐과 합금된 백금이 수소산화반응에 훨씬 더 유리하게 반응이 일어난다는 것을 처음으로 입증한 것이다. 팔라듐이 수소를 자발적으로 흡수하였을 때 팔라듐 자체의 결정구조와 전기적 구조가 완전히 새롭게 바뀌는 것을 측정하였고, 이로 인해 팔라듐에 인접한 백금의 전기적 구조에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 즉, 백금의 d-band 전자구조 중심이 수소 산화 반응에 유리한 위로 이동하는 현상이 일어남을 관찰하였다.[그림 3] 또한 백금-팔라듐 합금 촉매는 적절한 조합으로 제조 되었을 경우, 백금 페르미 준위의 d-band 전자구조 위치가 최적의 수소-촉매 결합에너지를 가진다는 것을 이번 연구에서 밝혀내었다. 어떤 촉매가 어떤 특성을 가져야 수소산화반응에 뛰어난지를 이론적으로 그리고 실제적으로 보여준 획기적인 연구 성과를 낸 것이다.

<그림 2. (가) 포항방사광가속기 모형도와 (나) 방사광가속기에 부착시킨 in-situ (제자리) 측정장비>

<그림 3. 백금의 d-band 전자구조 상태에서 PtPdHx 합금 효과에 대한 설명 모식도>

성교수팀은 지난해 이미 백금이 5%만 들어간 팔라듐-백금 합금 나노입자를 사용하여 연료전지에서 백금의 양을 획기적으로 줄이면서도 고성능을 보인 연구결과를 Electrochemistry Communications에 실은 바 있다. 그 이론적 원인까지; 규명한 이번 연구 결과는 향후 수소경제를 이끌 연료전지의 국내 독자적 원천기술 확보 뿐 아니라 이 분야의 학술적 성과를 냄으로 한국이 이 분야를 주도할 수 있는 가능성을 보여주었다 할 수 있겠다.

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