[월간수소경제 편집부] 일본 NIMS(National Institute for Materials Science)와 홋카이도대학, 독일 울름대학(Ulm University)로 구성된 국제공동연구팀은 탄소에 미량(1at% 이하)의 질소를 주입할 경우 산소환원반응을 활성화하는 전극촉매가 되는 것을 발견하고, 활성화의 원리를 규명하는 데 성공했다.

MOTOR CARS의 보도에 따르면 이번 연구 결과를 통해 비싸고 희소성이 높은 백금족 금속 대신 탄소를 이용한 전극촉매 개발이 활성화될 것으로 보인다.

연료전지의 정극에서 일어나는 산소환원반응(ORR)은 활성화가 어려운 반응인 동시에, 연료전지의 효율을 결정하는 반응이기도 하다. 지금까지는 백금 등 일부 특별한 금속만이 ORR을 활성화하고 효율을 높일 수 있다는 견해가 지배적이었다.

하지만 최근 탄소에 질소를 주입한 재료로도 동일한 반응을 활성화할 수 있다는 보고가 발표되면서, 희소성이 높은 백금을 탄소 및 질소로 대체하려는 노력이 이어지고 있다. 만약 해당 노력이 성공한다면, 유해물질을 배출하지 않는 연료전지를 지금보다 저렴한 가격으로 제조할 수 있게 된다.

하지만 탄소와 질소가 어떻게 ORR을 활성화하는지, 그 원리에 대해서는 지금까지 자세히 밝혀지지 않았다.

따라서 NIMS를 중심으로 하는 연구팀은 서로 다른 질소 함유량과 화학구조를 갖는 복수의 탄소촉매 모델을 만들어, ORR의 효율이 결정되는 과정과 산소흡착의 구조를 알아보았다. 또한 촉매 표면의 형태나 질소 분포를 상세히 관찰해, 실험계가 반영된 이론 모델을 설계하고 탄소촉매를 이용한 ORR의 미시적 전극과정을 분석했다.

그 결과, 미량의 질소를 주입하는 것만으로도 탄소가 ORR을 활성화할 수 있다는 사실을 발견할 수 있었다. 그리고 그 구체적인 원리를 실험과 이론으로 설명하는 데 성공했다.

탄소가 전극촉매로서 작용하는 구조를 이해할 수 있다면, 기존의 전극보다 활성도가 높은 탄소계 전극촉매를 설계할 수 있게 된다. 이를 위해 앞으로는 이번 실험을 통해 얻은 견해를 바탕으로 효율이 뛰어난 탄소계 촉매를 찾고, 희소성이 낮은 원소로 고효율 전기에너지를 생산할 수 있는 재료를 합성하는 것을 목표로 한다.

이번 연구는 NIMS 에너지‧환경재료연구거점의 사카우시 켄(坂牛 健) 주임연구원과 독일 울름대학의 마르쿠스 에카르트(Markus Eckardt) 박사과정, 홋카이도대학 대학원 이학연구원의 다케츠구 테츠야(武次 徹也) 교수 등에 의해 이뤄졌다.