일본 도쿄공업대학교(東京工業大學),구마모토대학교(熊本大學),시즈오카대학교(靜岡大學)은 지난 10월 4일, 연료전지(FC)의 비백금화에 기여하는 철 계열 신물질 개발에 성공했다고 공동 발표했다. 자세한 내용은 화학을 중심으로 의학과 환경, 나노과학 등 학제적인 분야도 다루는 오픈 액세스 저널 “JACS-Au”에 게재되었다.

연료전지의 촉매로는 백금이 사용되는데, 연료전지 자동차(FCEV)의 경우 차량 1대 당 약 20~30g 정도의 백금이 사용되고 있으며 차량 가격을 낮추려면 이 백금 사용량을 현재의 10분의 1 정도로 줄일 필요가 있다.

이러한 해결과제를 고려하여 백금을 대체할 저렴한 촉매 후보로, 철원, 질소원, 탄소원을 포함한 전구체를 1,000℃ 정도의 고온에서 처리하여 생성되는 철계의 열처리형 촉매가 개발되었다.

철계 열처리형 촉매는 비백금 촉매로는 비교적 높은 촉매 활성과 안정성을 띠지만, 고온 열처리로는 촉매의 구조를 섬세하게 조정하기가 어려워 성능이 한계에 다다른 상태라고 한다. 이에 연구팀은 이번에 고온 열처리를 필요로 하지 않는 착체형 촉매에 착안하여 연구를 추진했다고 한다.

착체형 촉매로는 기존에 “철 프탈로시아닌” 등이 연구되어왔으나 산화 전해질 안이라는 연료전지의 작동환경에서는 실제로 사용할 수 있는 수준의 안정성을 실현하지 못하고, 보다 높은 안정성을 갖는 착체의 개발을 기다리고 있었다. 이번 연구에서는 기존에 없던 구조의 철계 착체형 촉매를 개발함으로써 실용 수준의 촉매 활성과 안정성의 실현을 목표로 했다고 한다.

철계 열처리형 촉매는 탄소원자가 시트형으로 연결된 그래핀 시트 안에 질소원자를 통해 철 원자가 파묻힌 것처럼 되어 있는 부분이 촉매가 반응을 촉진하는 활성점이라고 생각된다.

그러나 철계 열처리형 촉매는 해당 활성점 구조가 고온의 열처리에 의해 우연히 생성되기 때문에 활성점을 다수 보유하고 있는 촉매를 만들기가 어렵고, 그 점이 해결과제였다고 한다. 이에 이번 연구에서는 안정성을 높이면서도 철계 열처리형 촉매의 활성점과 매우 유사한 구조를 합성 화학적으로 다량 제작하는 방법의 탐색이 이루어졌다고 한다.

 
▲ 이번 연구의 개념도. 위의 철계 열처리형 촉매 그림에서는 그래핀 시트 내부 중앙에 철 원자(Fe)가
그 주위를 둘러싼 질소원자(N)에 의해 파묻혀 있는 것 같은 구조를 하고 있는 것을 볼 수 있다.
아래는 이번에 개발한 새로운 산소환원반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)의 촉매로서의 방향족 14원환 철착체의 모델.

그 결과 구조가 콤팩트해서 단단하게 철 원자를 고정화할 수 있고, 산성 전해질 안에서도 안정적인 철착체가 될 수 있지 않을까 하는 생각을 바탕으로 새롭게 14원환 철착체의 합성법을 고안해냈다. 시즈오카대학교의 모리야 마코토(守谷誠) 강사와 연구팀은 고순도 14원환 철착체를 얻는데 성공하였으며 탄소재료 상에 부착시킨 촉매는 Asahi Kasei가 제작했다고 한다.

▲ 이번에 제작된 방향족 14원환 철착체의 촉매 분말

실제로 제작된 촉매의 산소환원 촉매 활성을 조사한 결과, 철 프탈로시아닌에 비해 뛰어난 촉매 활성과 내구성을 띠는 것이 확인되었으며, 목표한 대로 철 원자가 안정화되어 있다는 것도 확인했다고 한다.

▲ 전위 소인시험 전후(실선이 앞, 점선이 뒤)의 촉매 활성 비교. 높은 전위(가로축 우측방향)에서
큰 마이너스 전류(세로축 아래 방향)를 띠는 촉매가 고활성.
철 프탈로시아닌(파란색)은 실선과 점선이 떨어져 있으며 열화가 현저하게 나타난다.
이번에 개발된 신물질(빨간색)은 실선과 점선의 차가 적어 뛰어난 촉매 활성을 지속하는 것을 확인할 수 있다.

나아가 연구팀에서는 앞으로 철착체의 구조를 보다 섬세하게 최적화함으로써 더 높은 촉매 활성의 실현을 목표로 하는 것 외에도 이번 연구성과가 돌파구가 되어 향후 FCEV의 비백금화에 기여할 것으로 기대하고 있다.

▲ 방사광 분광에 의한 실시간 분석. 철 프탈로시아닌(파란색)의 철이온은
용출되어 강도가 약해지는 것에 비해, 새롭게 개발한 14원환 철착체(빨간색) 안의
철 이온은 뛰어난 안정성을 보이고 있다.