우리 대학 기계공학부 장세근 교수 연구팀의 최은호 연구원 (공동 제 1저자)은 카이스트 이진우, 서강대학교 백서인 교수 연구팀과 공동연구를 수행하여 산소환원반응에 대한 비백금 단일원자촉매를 개발하고, 이를 연료전지에 적용하여 세계최고수준의 저가 연료전지를 개발하였다.
연료전지의 비싼 가격은 백금계 촉매 사용에서 기인하고, 이로 인해 최근 비백금계 촉매 연구개발이 많이 이루어지고 있다. 하지만, 비백금계 촉매의 경우 백금계 촉매 대비 낮은 활성 특성 및 내구성을 가지고 있어 연료전지 적용에 어려움을 겪고 있다. 연구팀은 ZIF소재 기반으로 질소 도핑, 철 이온 도핑, 열처리를 통해 원자적으로 잘 분산된 비백금 Fe-NC 촉매를 개발하였고, 추가적으로 CO2-activation process를 도입하여 내부결함 조절을 통한 내부 결합 에너지 조절을 통해 산소환원반응을 향상시킴으로써 높은 활성의 비백금계 Fe-NC를 개발하였다.
뿐만 아니라, 비백금계 촉매의 경우 연료전지에 적용할 경우 50~100 마이크로미터 두께의 두꺼운 전극층이 요구되는데 (일반적인 백금 전극층의 10배 이상), 이에 막-전극 접합체 제조에 있어 신기술이 요구된다. 본 연구팀은, 개발된 비백금촉매 연료전지 구현을 위해 전극 기공 구조 제어 및 이온당량비(물 함수율)를 고려한 최적 이오노머 선정, 활성점 수 증가와 물질전달 사이의 trade-off를 고려한 최적의 전극층 구조를 도입하여 세계 최고 수준 성능을 달성하였다.
본 연구 결과는 재료 분야의 국제 학술지인 Advanced Materials (Impact factor: 29.4)에 게재되었다.
