수소 이온의 고속 이동 경로 연구를 통한 연료 전지 발전 효율 향상

도쿄 농공대학 대학원 공학 연구원 생명 기능 과학 부문의 연구팀은 분자의 집합 거동을 정밀하게 제어함으로써 "수소 이온이 고속으로 이동할 수 있는 입체적·연속적인 경로"를 만들어 내는 연구를 실시하고 있다.

3차원의 주기적인 면 구조이기 때문에, 결함이나 단절 부분을 우회해 이동할 수 있으므로, 전해질 내의 전기 저항의 저감을 기대할 수 있어 장기적으로는 기존의 연료 전지 전해질에 대체할 수 있는 재료로서 기대된다.

자동차나 휴대 전자 기기 등에 응용에 주목을 받고 있는 고체 고분자형 연료 전지(PEFC)에서 발전 능력을 좌우하는 중요한 핵심은 전해질의 성능이다. 현재 퍼플루오로술폰산 폴리머계 전해질 막이 널리 사용되고 있지만, 불소계 고분자가 기반이기 때문에 재료 설계 시에 적응할 수 있는 합성 반응이 한정되어 수소 이온 전도력의 향상이나 내열화성 개선을 위한 개량은 쉽지 않다. 최근 신규 전해질의 개발을 목표로 방향족 주쇄형 폴리머의 이용·블록 폴리머 설계·자기 조직성 분자를 구사한 재료 설계 등이 주목 받기 시작하고 있다.

도쿄 농공 대학 대학원 공학 연구원 생명 기능 과학 부문에서는 선행 연구 과제 "3차원 Gyroid 극소 계면을 이용한 양성자 전도성 공간의 형성"을 올해 10월부터 추진해 기존의 재료를 대체하는 새로운 연료 전지 전해질의 구축을 목표로 해 왔다.

평평한 판상 구조의 윗면과 아랫면이 직교하는 방향으로 수축하면, 안장형 구조를 형성한다(그림 1). 이러한 현상은 예를 들면, 감자 칩에서도 볼 수 있는데, 이는 판상의 감자를 기름에 튀기면 표면이 수축함으로써 이러한 안장형 구조를 형성한다. 이 안장형 구조를 3차원적으로 연결해 나가면 "자이로이드(Gyroid) 계면(그림 2)"이라는 수학적으로도 흥미로운 주기 곡면 구조를 얻을 수 있다. 연구팀은 분자 설계 기술을 사용하여 분자 집합체 차원에서 이러한 계면 구조를 형성하면, 새로운 기능 재료 개발에 초석이 될 수 있다고 생각해 연구를 추진 중이다.

그동안의 연구에서 자기 조직성 양쪽성 이온(1분자 내에 양전하와 음전하를 모두 가지는 분자)을 설계·합성하고 이들 분자의 집합 거동을 조사해 왔다. 이러한 검토 속에서 이온 액체(주 3)의 이온 페어를 형성하는 동시에 자발적으로 정밀한 집합 구조를 형성하는 분자를 설계하는데 성공했다. X선 측정 등을 이용해 구조 해석한 결과, 자이로이드 계면을 갖는 입방 구조(한쪽 변이 8~10 nm수준의 극소 사이즈)로 밝혀졌다. 또한, 이 계면은 수소 이온 등의 물질 전도장으로서 큰 가능성을 가지고 있음을 세계 최초로 보고해왔다. 이는 자이로이드 계면이 삼차원 공간적으로 연속적으로 펼쳐진 주기적인 극소 곡면이며, 곡면상의 임의의 점에서 평균 곡률이 0인 연속된 안장형 곡면으로 형성되어 있기 때문이라고 생각된다.

자이로이드 계면은 매력적인 계면 구조이지만, 이 계면을 만들어내는 자기 조립 분자를 설계하는 것은 쉽지 않다. 이 계면 구조를 나노 레벨의 주기성으로 자유롭게 만들어내는 방법론을 확립할 수 있다면, 나노 테크놀로지의 발전에 일조할 수 있을 것으로 기대된다. 1945년에 노벨 물리학상을 수상한 파울리 박사의 "God made solids, but surfaces were the work of the Devil"(고체는 신의 산물이지만, 계면은 악마가 만든 것이다)이라는 말대로, 계면에는 아직도 미지의 요소가 많고, 무한의 가능성이 기대되고 있다. 본 연구에서는 자이로이드 계면을 물질 수송장으로 적극적으로 이용한다는 것이며, "이온 액체"라는 아직도 수수께끼가 많은 재료를 사용하여 특이한 계면을 만들자는 것으로, 기능 계면 화학에 돌파구를 만들어 줄 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 수소 이온을 고속으로 수송하는 공간을 만들어 전류가 흐르기 쉬운 연료 전지 전해질로 응용할 수 있을 것이며, 향후에는 차세대 에너지 기기 개발의 소형화·경량화·내구성 향상 등 다양한 개선의 실현에 기여할 것으로 기대된다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 수소 이온의 고속 이동 경로 연구를 통한 연료 전지 발전 효율 향상