 에너지 생산 및 저장 소재로의 응용 가능성 확장 고기능성 촉매 부착된 탄소섬유 전극 개발 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 채한기 교수팀과 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 킹압둘라과학기술대학교(KAUST) Cafer T. Tavuz 교수팀과 함께 고기능성 촉매가 부착된 탄소섬유 전극을 개발했다. 잘 떨어지는 파우더형 촉매 대신 탄소섬유 형태의 촉매를 사용해 큰 면적에서 안정적으로 구동할 수 있어, 기존 전극 대비 100배 길게 사용할 수 있다. 게다가 값비싼 백금 대신 루테늄을 사용해 같은 성능을 유지하면서 제조 가격도 대폭 낮춰 대량생산의 가능성도 열었다.
정리 편집부 제공 UNIST
기존의 전기화학적 전극 제조에서는 탄소분말과 같은 파우더 형태의 촉매를 전극 위에 뿌려 고착시켰다. 하지만 이 경우 균일하게 바르기가 어려워 분말이 뭉치거나 떨어지는 등 낮은 안정성과 내구성에 대한 문제 등이 발생했다.
반면 탄소섬유를 기반으로 한 전기화학 전극은 많은 장점으로 주목받고 있다. 탄소섬유는 단위 중량 대비 높은 강도와 탄성률을 가져 군사, 토목건축, 항공우주 등의 구조 및 역학적 강화소재로 사용되어왔다. 게다가 높은 내화학성, 열/전기전도성, 대면적화가 용이한 특성으로 인하여 최근 에너지·환경 분야에서의 적용 가능성이 강조되고 있다.
직물 표면에 선택적으로 루테늄 고착 연구팀은 고분자 전구체 섬유의 제조 단계에서부터 표면에 루테늄을 고착시켜 촉매의 안정성을 높였다. 화학반응에 참여하는 전구체 고분자는 촉매의 특성을 안정적으로 표출할 수 있게 도와주는 폴리아크릴로나이트릴(PAN)을 사용했다. 화학적 촉매로는 백금 대신 루테늄을 선택적으로 표면에 붙인 것.
이렇게 개발된 탄소섬유 전기화학 직물 표면에 선택적으로 루테늄을 고착시킨 전극인 Ru-SFEC(Ruthenium surface-embedded fabric electrocatalysts)은 전류밀도 10mA cm-2에서 11.9mV의 낮은 과전압을 나타냈다. 수소 발생 반응이 일어나는데 필요한 최소전압(과전압)이 낮을수록 에너지 소비가 적은 고효율 촉매가 된다.
또한 상용화된 백금 파우더형 촉매가 10,000번의 작동 후 과전압이 6배 증가한 반면, 개발된 전극은 6.5%의 낮은 과전압 증가율을 나타냈다. 100배 더 긴 시간 동안 안정적으로 사용할 수 있는 것이다.
연구팀이 개발한 전극은 적은 에너지로 만들 수 있으며 폐기물이 적게 생산된다는 이점을 가진다. 개발된 전극을 실제 탄소섬유 산업에서 이용되고 있는 연속 제조 공정으로 확장해 검증했다. 본 연구에서 확보한 semi-pilot line 촉매담지 탄소섬유의 연속 생산 방식은 기술 성숙도(TRL) 6단계에 해당했다. 이는 실제 환경에서 구현될 수 있는 정도의 기술 수준이다.
응용 분야 확장 요소기술로 활용될 수 있을 것 본 연구에서 개발된 촉매담지 탄소섬유는 주로 구조 소재에 국한되어있는 탄소섬유의 응용 패러다임을 벗어나 에너지 생산 및 저장 소재로의 응용 가능성을 확장하는 기술이다. 파우더형 촉매의 한계 극복을 위해 세계적으로 많은 연구자들이 앞다투어 연구하고 있는 자가지지형 촉매(Self-supported catalyst) 분야에서, 고분자 섬유 단계에서부터 촉매를 담지 후 열처리하는 새로운 촉매 제조 기술의 관점을 제시해 학술적으로도 큰 의의를 가진다.
이는 선진국에서도 기초연구 단계에 있는 미래기술로, 연료전지뿐만 아니라 배터리를 포함한 에너지저장장치, 센서(바이오센서 또는 수소센서, 중금속 이온 센서) 등 전기화학 분야, 유기합성 분야 등의 응용 분야 확장 요소기술로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 한편, 이번 연구결과는 화학 분야 세계적 권위 학술지인 美 화학회지 『Journal of the American Chemical Society, JACS』에 5월 15일 정식출판됐다. 앞서 2월 7일에 관련 특허 및 PCT 출원도 완료됐다.
<Energy News>
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