연료 전지 대량 생산에 적합한 비-백금 탄소 합금 촉매

중국 Teijin Limited는 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC; proton exchange membrane fuel cells)에서 음극 산소 환원 반응(ORR; oxygen reduction reaction)을 위한 비-백금 탄소 합금 촉매(CAC; carbon alloy catalyst)를 개발 중이다. CAC는 탄화 반응(carbonization)을 통하여 강철과 폴리아크릴로니트릴(PAN; polyacrylonitrile)로부터 만들어진다. CAC는 백금보다 저렴하고 쉽게 이용할 수 있어서, 고분자 전해질 연료 전지의 비용을 삭감하고 대량으로 생산이 가능하다.

Teijin Limited는 일본 도쿄 공업대학(Tokyo Institute of Technology) 소속의 연구진과 협력하여 자사의 CAC 기술을 개발 및 개선해왔다. 이러한 노력은 NEDO(Energy and Industrial Technology Development Organization)가 주도하는 CAC를 이용한 자동차 연료 전지의 개발을 목표로 하는 프로젝트의 일환이다. NEDO는 회계연도 2008년에 보다 더 큰 연료 전지를 구축하는 노력의 일환으로 CAC에 대한 연구를 착수했다. Teijin Limited는 2025년까지 상업적인 이용을 목표로 자사의 CAC의 특성과 내구성을 지속적으로 개선할 계획이다.

2012년 미국 화학학회(American Chemical Society) 저널에 발표된 논문에서, 도쿄 공업대학 소속의 연구진은 다음과 같이 밝혔다.

고분자 전해질 연료 전지의 효율은 음극에서 ORR에 의해 결정되고, 최근까지 ORR을 위해 가장 효율적인 음극 촉매는 백금 기반의 촉매이다. 그러나 대규모 상용 응용은 백금의 높은 비용으로 인하여 방해를 받고 있으며, 백금 기반의 전극은 낮은 선택성, 열악한 내구성 및 일산화탄소 불활성화 등으로 어려움을 겪고 있다.

비록 ORR 활성이 특히 산성 조건에서 아직은 백금 기반 촉매의 활성만큼 높지는 않다고 하더라고, 현재 CACs는 ORR에 대한 우수한 성능, 낮은 비용, 풍부한 자원 및 일산화탄소 중독이 없는 등과 같은 이유로 백금 기반의 촉매에 대한 대안으로 가장 유망한 촉매이다. 질소가 도핑된 CACs(N-doped CACs)는 인, 황 및 붕소 등으로 도핑된 CACs보다 훨씬 더 광범위하게 연구됐다. 일반적으로 질소를 함유하는 CACs는 일부 탄소 공급원과 함께 전이금속 12개 이상의 환으로 이루어진 화합물 또는 전이금속 염과 질소를 함유하는 전구체의 탄화 반응에 의해 합성됐다. CACs의 기본적인 구조적 요소는 탄소 나노튜브(CNTs; carbon nanotubes)를 포함한 다층 나노그래핀이다.

산소 분자의 전기화학적 환원은 녹색의 지속 가능한 사회를 위하여 중요한 화학물질인 H2O2를 생산할 수 있다. 따라서 이러한 반응에 대한 촉매의 개발이 필요하다. 연구진은 메조기공 SiO2 템플릿의 존재에서 (1-methyl-1H-pyrrole-2-yl)methanol로부터 준비된 질소가 도핑된 탄소를 제안했다. 결과적으로 얻어진 탄소의 질소 함량은 0~10 at.?%의 범위에서 제어될 수 있으며, 모든 준비된 시료는 직경 3.4~4.0nm의 잘 정렬된 메소기공을 가지고 있었다. 전기화학적 연구는 제시된 재료가 90% 이상의 H2O2에 대한 높은 선택성을 동반한 높은 촉매 활성을 가진다는 것을 의미한다. 이러한 H2O2에 대한 높은 선택성은 메소기공 구조에 의해 강화되는 촉매 층에서 우수한 질량 이동에 기인한다.

비록 집중적인 조사가 CACs에 대하여 수행됐다고 하더라도, 활성 위치와 반응 메커니즘은 명확하게 규명되지 않았으며, 논란의 여지가 있다. N-doped CACs의 ORR 활성이 피리니딕 질소(p-N; pyridinic nitrogen)에 기여하든지 아니든지, 그래파이트 질소(g-N; graphitic nitrogen) 또는 전이금속 원소는 오랫동안 치열한 논쟁의 주제가 되어 왔다.

Teijin사는 CAC가 전매 고분자 화학에 의해 축소된 촉매 입자와 탄화 반응 공정을 이용하여 뛰어난 성능을 증명했다. 이러한 결과는 연료 전지가 비금속 촉매를 이용하여 다른 우수한 연료 전지의 수준과 동일한 수준의 전기 생산을 달성할 수 있게 해주었다.

연료 전지에서 상용 촉매는 값비싼 백금을 다량으로 함유한다. 보다 더 저렴하고 쉽게 얻을 수 있는 대체물이 연료 전지 사용의 확대를 가능하게 할 것이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 연료 전지 대량 생산에 적합한 비-백금 탄소 합금 촉매