▲ 루테늄 칼코게나이드 초미세 나노튜브의 합성과정 이미지(위)와 투과전자현미경 사진.(자료=KIST)

[월간수소경제 성재경 기자] 대부분의 연료전지에 고가의 백금(Pt) 촉매를 주로 사용하지만, 반응 중 촉매가 용출되거나 응집되는 등 내구성이 문제로 거론된다. 이에 더 낮은 비용으로 고내구의 새로운 연료전지 촉매 개발이 요구된다.

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 초미세 나노튜브 신소재를 도입해 우수한 산소환원반응 성능과 높은 안정성을 가진 금속 칼코게나이드 나노튜브를 합성했다고 밝혔다.

칼코겐은 주기율표상 제16족에 속하는 ‘산소족 원소 화합물’에 든다. 이 칼코겐 원소가 전이금속 원자와 결합하면 ‘금속 칼코게나이드(Chalcogenide)’라 불리는 2차원 시트구조의 반도체 물질이 되는데, 이는 다양한 형태로 존재하며 각기 다른 전기적, 광학적, 촉매적 활성을 나타낸다.

연구진은 그중에서도 금속성을 띠는 1T상 물질에 주목했다. 전기전도성이 높고 촉매 성능이 뛰어난 반면 안전성이 낮아 공기 노출, 전기화학반응 등에 촉매 활성을 잃는 한계가 존재했다. 바로 이 준안정상(Metastable)의 ‘루테늄 칼코게나이드’를 새로운 소재로 제안하는 한편, 촉매의 내구성을 향상시키기 위해 이를 초미세 직경을 갖는 나노튜브 형태로 만드는 데 성공했다.

성능 평가에서 루테늄 칼코게나이드 나노튜브를 산소환원반응 촉매로 활용하자 기존 백금 촉매보다 우수한 수소연료전지 성능과 10배 이상 높은 내구성을 나타냈다. 또 이러한 결과가 나노튜브 구조체의 장력이 안정성에 미치는 영향 때문임을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 규명했다.

KIST 유성종 박사는 “다양한 나노구조체에 충분한 곡률이 유도되면 기존 물질의 전자구조가 달라져 촉매의 안정성 향상을 이끌 수 있음을 성공적으로 제시했다”며 “나노튜브 구조체를 이용한다면 기존 0차원 나노입자 또는 2차원 나노시트의 구조로는 어려웠던 다양한 준안정상의 활용이 가능해진다”고 밝혔다.

연구진은 내구성이 낮아 활용에 제한적이었던 다양한 소재를 수소연료전지를 비롯한 친환경에너지 기술에 적용하는 아이디어를 제공할 것으로 기대하고 있다.

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