- 루테늄 칼고게나이드를 새로운 소재로 제안해 경제성 확보

- 나노튜브의 높은 표면 곡률로 유도된 장력이 촉매의 안정성도 확보

연료전지는 수소와 산소의 산화·환원 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환한다. 이 과정에서 반응을 촉진하기 위해 촉매가 활용되는데, 주로 산소 환원 반응을 촉진하는 촉매가 전체 연료전지의 효율 및 가격을 결정한다. 

현재 대부분의 연료전지는 백금(Pt) 촉매를 주로 사용하지만, 높은 가격과 반응 중 촉매가 용출되거나 응집되는 등의 낮은 내구성 문제가 존재했다. 따라서, 더 낮은 비용으로 더 높은 안정성이 있는 새로운 연료전지 촉매 개발이 필요한 상황이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 초미세 나노튜브 신소재를 도입해 우수한 산소 환원 반응 성능과 높은 안정성을 가진 금속 칼고게나이드 나노튜브를 합성했다고 밝혔다. 이를 수소연료전지의 촉매로 적용하면 높은 효율과 안정성을 발휘할 수 있어 고가의 백금을 대체할 것으로 기대된다.

루테늄 칼코게나이드 나노튜브의 산소 환원 반응 촉매거동을 보여주는 논문 표지 이미지

칼코겐은 주기율표상 제16족에 속하는 원소로 산소족 원소로 불린다. 이 칼고겐 원소가 전이 금속 원자와 결합하면 금속 칼코게나이드라고 불리는 2차원 시트 구조의 반도체 물질이 되는데, 이들은 다양한 형태로 존재하며 각기 다른 전기적, 광학적, 촉매적 활성을 나타낸다. 그중에서도 금속성을 띠는 1T 상 물질은 우수한 전기전도성 및 촉매 성능을 나타내지만, 안정성이 낮아 공기 노출, 전기화학 반응 등에 의해 촉매 활성을 잃는 한계가 존재한다.

연구진은 준안정상1)의 ‘루테늄 칼코게나이드’를 새로운 소재로 제안하는 한편, 촉매의 내구성을 향상시키기 위해 이를 초미세 직경을 갖는 나노튜브 형태로 만드는 데 성공했다. 

이 구조는 높은 표면 곡률을 갖기 때문에 커다란 장력이 유도되어 연료전지 구동 중에도 장력에 의해 촉매의 원자 배열이 안정하게 존재했으며, 그 결과 촉매도 안정화될 수 있었다.

열역학적으로 최소 에너지 상태로 존재하는 대부분의 물질과 달리 중간 에너지 상태로 존재하는 상

루테늄 칼코게나이드 초미세 나노튜브의 합성과정 및 투과전자현미경 사진, EDS 원소 맵핑 이미지

(좌) 다양한 조성의 루테늄 칼코게나이드의 단위 면적당 및 단위 질량당 산소 환원 반응 성능. (우) 1T 나노튜브, 1T 나노시트, 2H 나노시트의 성능 및 내구성 비교 레이더 그래프

성능 평가에서 루테늄 칼코게나이드 나노튜브를 산소 환원 반응 촉매로 활용하였을 때 기존에 사용되는 백금 촉매(64.5 Ag-1)보다 우수한 수소연료전지 성능(67.4 Ag-1)과 10배 이상 높은 내구성을 나타냈다. 또한 이러한 결과가 나노튜브 구조체의 장력이 안정성에 미치는 영향 때문임을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 규명하였으며, 다양한 나노구조체에 충분한 곡률이 유도되면 기존 물질의 전자구조가 달라져 촉매의 안정성 향상을 이끌 수 있음을 성공적으로 제시하였다.

KIST 유성종 박사는 “나노튜브 구조체를 이용한다면 기존 0차원 나노입자 또는 2차원 나노시트의 구조로는 어려웠던 다양한 준안정상의 활용이 가능해질 것이다”라며, “지금까지 내구성이 낮아 활용에 제한적이었던 다양한 소재를 수소연료전지를 비롯한 친환경에너지 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대하며, 수소경제 안착과 탄소 중립 기술 개발을 위해 힘쓰겠다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응기술개발사업, 나노 및 소재 기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ (IF : 29.698, JCR 분야 상위 2.61%) 최신 호에 게재되었다.

* 논문명: Nanotubular Geometry for Stabilizing Metastable 1T-Phase Ru Dichalcogenides

- (제1저자) 한국과학기술연구원 김명근 박사후연구원

- (제1저자) 한국과학기술연구원 김승훈 박사후연구원(現, ㈜빈센)

- (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원

< 연구진 소개 >

유성종 박사(교신저자)	○ 성명: 유성종 ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 수소·연료전지 연구센터 ○ 전화: 02-958-5260 ○ e-mail: ysj@kist.ke.kr
김명근 박사(제1저자)	○ 성명: 김명근 ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 수소·연료전지 연구센터 ○ 전화: 02-958-6828 ○ e-mail: mgkim@kist.re.kr
김승훈 박사(제1저자)	○ 성명: 김 승 훈 ○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 수소·연료전지 연구센터(現 빈센) ○ 전화: 02-958-6828 ○ e-mail: s.kim@kist.re.kr