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백금 대체할 이리듐 기반 합금 촉매 개발

백금 대체할 이리듐 기반 합금 촉매 개발 

양자역학계산과 나노촉매 합성 기술로 설계 및 성능 검증, 연료전지 수명 향상 기대
차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 기술 발전에 기여할 것으로 전망

연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의한 전기 에너지 발생 과정에서 물만 배출하여 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 연료전지는 1960년대부터 우주발사체 전원 등에도 이용되어 왔는데, 에너지 발생을 위한 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금기반의 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다. 최근 국내 연구진이 양자역학 계산(Density Functional Theory)과 나노 촉매 합성 기술을 사용하여 백금을 대체할 수 있는 이리듐(Ir, Iridium) 기반 합금 촉매를 개발하여 연료전지 내구성을 향상시키는데 성공했다고 밝혔다.

한국과학기술연구원(KIST) 연료전지연구센터 유성종, 함형철 박사팀은 양자역학 계산을 사용하여 소재를 구성하는 원자와 전자 구조의 물리·화학적 제어를 통해 촉매 내부에 크롬이 추가된 이리듐 표면 단층 촉매를 도출하였다. 또한 이를 나노 수준의 전기화학 실험을 통해 성공적으로 합성하여 기존 순수 이리듐에 비해 성능이 약 12배 이상 증가하고 안정성은 백금 수준 이상으로 증가했다는 것을 확인하였다.

일반적으로 고분자 전해질 연료전지에서는 에너지 발생의 핵심 역할을 하는 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 촉매를 사용해왔으나, 비싼 가격과 소재 자체의 안정성에 대한 단점이 있었다. 연료전지용 소재는 장시간 산성 환경에 노출되는데, 백금은 촉매 전체의 내구성을 감소시키므로 안정성 측면에서 한계를 가지고 있었다.

KIST 연구진은 소재 안정성이 뛰어나지만 성능이 낮은 것으로 알려진 이리듐(Ir, Iridium)을 활용하여, 다양한 전이금속을 첨가하고 촉매 내부 및 표면의 원자 분포를 변화시켰다. 그리고, 촉매 성능과 내구성을 양자역학 계산을 사용하여 예측하여본 결과, 촉매 내부에 크롬이 주입된(Doping) 이리듐 표면 단층 촉매가 산소 친화력을 감소시키고 동시에 내구성을 향상시켜 연료전지의 전기화학적 산소 환원 반응에 있어서 우수한 특성을 갖는다는 것을 밝혀냈다. 연구진은 연료전지 촉매로는 거의 사용되지 않았던 이리듐을 원자 및 전자 레벨 수준에서의 표면 및 내부 전자 구조 제어 기술을 통해 크롬 합금 촉매에 사용하게 되면 안정성 및 활성이 증가하여
연료전지용 촉매 소재로 활용 가능하다는 것을 밝혔다.  
 
연구진은 촉매 내부에 크롬 주입(Doping)으로 이리듐 기반 합금 촉매의 산소 친화력 감소 및 산소 환원 반응성과 내구성 증가로 이어지게 되는데, 연구진은 양자역학 계산을 통해 촉매의 성능 및 안정성의 증가를 확인하였고, 계산과학적인 관점에서 앞으로의 산소환원 반응용 촉매 설계원리를 제시하여 연료전지 촉매의 확장성에 기여할 수 있다는 점에서 큰 의의를 지닌다.  

KIST 함형철 박사는 “이번 연구는 연료전지 촉매 소재의 활성과 내구성 향상에 대한 원리 규명 및 초고속 후보 물질의 탐색에 있어서 양자 역학 계산의 중요성을 확인해주는 결과”라 말했다. 또한 KIST 유성종 박사는 “향후 차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 연구 의의를 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원을 바탕으로 한 KIST 기관고유사업 및 한국에너지기술평가원, 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제 학술저널인 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 상위 1.020%) 최신호에 온라인 게재되었다.

 * (논문명) Computational and Experimental Design of Active and Durable Ir-based Nanoalloy for Electrochemical Oxygen Reduction Reaction
 - (제1저자)  한국과학기술연구원 조진원 연구원
 - (교신저자) 한국과학기술연구원 함형철 박사, 유성종 박사
    
□연 구 결 과  개 요

연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 발생된 전기를 이용하면서 물만 배출하기 때문에 차세대 친환경 에너지 발생 장치로 각광받고 있다. 1960년대 아폴로 우주선에 이용되는 것을 포함하여 현재는 연료전지 자동차에도 사용되어 산업적 및 학술적 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 본격적인 상용화를 위해서는 현재 직면해 있는 기술적 한계를 극복할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있으며, 주요 기술적 한계로는 소재 내구성 및 경제성 확보측면으로 알려져 있다.

 연료전지에서 수소와 산소와의 표면 반응을 유도하여 전기를 발생시키는 핵심 소재인 촉매에 대한 전기화학적 활성과 소재 내구성을 향상시키기 위한 연구가 다각적으로 진행되고 있다. 촉매 소재는 가장 우수한 활성을 나타내는 백금에 전이금속을 합금화한 나노 입자 형태가 가장 일반적이다. 하지만 경제성이 좋지 않기 때문에 이를 통해 백금량을 저감시키고, 활성 증대를 목적으로 하고 있다. 하지만 장시간 고온 및 산성 분위기에서 운전되는 연료전지 환경에서는 촉매 소재 내구성 문제가 대두되고 있는 실정이다. 또한 백금 촉매에 대한 의존도가 심화되면서 대체 후보 촉매군 개발에 대한 연구도 진행 중이지만 내구성 및 성능이 백금 촉매에 다다르지 못하고 있다

 이번 연구에서는 촉매 활성 및 안정성을 개선시킬 수 있는 이리듐 (Ir, Iridium)기반의 전기화학적 산소 환원 반응용 이리듐 표면 단층 합금 촉매를 양자 역학을 기반으로 하는 DFT(density functional theroy) 계산으로 촉매 내부에 크롬이 도핑된 이리듐 표면 단층 촉매 후보물질을 도출하였고 도출한 촉매는 전기화학 실험으로 나노 레벨에서 성공적으로 합성하여 기존 이리듐에 비해 성능이 약 12배 이상 증가하고 안정성은 백금 수준 이상으로 증가 했다는 것을 확인하였다. 그리고 도출한 후보물질을 대상으로 산소환원 반응용 촉매 설계 원리를 분석하였는데 표면 단층의 이리듐 사이의 격자가 줄어들게 되면 산소 친화력이 감소하여 산소 환원 반응 활성/내구성이 증가한다는 원리와 함께 더 불어 이리듐 표면 단층의 d-오비탈 전자 점유율이 증가할수록 산소 친화력을 감소시키는 쪽으로 변하게 되는 현상을 밝혀내어 앞으로의 산소환원 반응용 촉매 설계 방법을 제시하였다.

 결론적으로, 이번 연구에서는 경제성이 높은 백금을 대체할 수 있는 산소환원 반응용 비백금계 촉매를 개발하기 위해 백금과 내구성이 비슷한 이리듐을 기반으로 산소환원반응 활성을 평가한 결과 산소 친화력이 강하기 때문에 활성이 감소한 경향을 보였기 때문에 DFT 계산을 통하여 산소 친화력이 순수 이리듐에 비해 감소한 이리듐 기반 합금 촉매를 대량으로 탐색하였으며 안정성까지 고려한 결과 내부에 크롬이 도핑된 이리듐 표면 단층 합금 촉매를 도출하였다. 전기화학 실험결과 나노 입자 수준에서 표면 제어 기술을 통하여 크롬이 도핑된 이리듐 표면 단층 합금 촉매를 성공적으로 제조하였으며 산소환원 반응 활성 및 내구성이 순수 이리듐보다 월등히 우수하였다. 도출한 촉매를 바탕으로 계산과학적인 관점에서 산소환원 반응용 촉매 설계 원리를 제시하여 향후 연료전지 산소환원 반응용 촉매 선택 후보군이 확장될 수 있는 가능성을 제시하였다고 생각되며, 향후 차세대 에너지 소재 설계 기술 발전에도 크게 기여할 수 있기를 기대한다.             

□그림 설명


<그림 1> 촉매 표면 원자-원자 길이, 표면 원자의 d-오비탈 전자 점유율 엔지니어링을 통한 표면 단층 합금 촉매의 컴퓨터 설계, 나노 촉매 합성 기술을 통한 촉매 성능 검증

함형철 박사(공동교신저자) 이력사항

1. 인적사항                                         
 ○ 성 명 : 함 형 철
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원
           국가기반기술연구본부 연료전지연구센터                         
 ○ 전 화 : 02-958-5889
 ○ e-mail : hchahm@kist.re.kr

2. 학력
 ○ 1999년  고려대학교 화학공학 학사
 ○ 2002년 KAIST 화학공학 석사
 ○ 2011년 University of Texas at Austin 화학공학 박사

3.경력사항
 ○ 2002 - 2003 LG 화학기술연구원 기능수지연구소, 연구원
 ○ 2003 - 2007 한국과학기술연구원 연료전지연구센터, 연구원
 ○ 2007 - 2011 University of Texas at Austin 화학공학, 대학원 연구조교
 ○ 2012 – 현재    과학기술연합대학원(UST), KIST-School, 부교수
 ○ 2013 - 2014 고려대학교 화공생명공학과, 겸임교수
 ○ 2012 - 2015 한국과학기술연구원 연료전지연구센터, 선임연구원
 ○ 2015 - 현재 한국과학기술연구원 연료전지연구센터, 책임연구원

4. 전문분야 정보
 ○ 양자 역학 기반 Density Functional Theory(DFT) 모델링
 ○ 표면 화학 모델링, Microkinetic 모델링 
 ○ 소재(합금, 페로브스카이트, 산화물 등) 물성을 결정하는 전자구조의 DFT 해석 
 ○ 불균일 촉매, 전기화학 촉매의 계산 과학적 설계
 ○ 머신 러닝, 딥 러닝을 통한 소재 설계  

유성종 박사(공동교신저자) 이력사항

1. 인적사항                                         
 ○ 성 명 : 유 성 종
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원
           국가기반기술연구본부 연료전지연구센터                         
 ○ 전 화 : 02-958-5260
 ○ e-mail : ysj@kist.re.kr

2. 학력
 ○ 2001년 인하대학교 화학공학 학사
 ○ 2004년 광주과학기술원 신소재공학 석사
 ○ 2009년 서울대학교 화학생물공학 박사

3.경력사항
 ○ 2004 - 2004 서울대학교 화학공정신기술연구소, 연구원
 ○ 2009 - 2009 서울대학교 에너지변환저장연구센터, 박사후연구원
 ○ 2009 - 2012 한국과학기술연구원 연료전지연구센터, 박사후연구원
 ○ 2016 - 현재 KHU-KIST 융합대학원, 부교수
 ○ 2014 – 현재    과학기술연합대학원(UST), KIST-School, 부교수
 ○ 2012 - 2016 한국과학기술연구원 연료전지연구센터, 선임연구원
 ○ 2016 - 현재 한국과학기술연구원 연료전지연구센터, 책임연구원

4. 전문분야 정보
 ○ 2008 제1회 대학원 우수 논문상 (한국방사광협회) (과학기술부)
 ○ 2011 제9회 신진학술상 (한국방사광협회) (과학기술부)
 ○ 2013 미래과학인재상 (한국과학기술연구원)
 ○ 2014 우수신진연구원상 (기초기술이사회)
 ○ 2015 2015년 국가연구개발 우수성과 100선 (미래창조과학부)
 ○ 2016 미래창조과학부 장관상 (미래창조과학부)

조진원 연구원(제1저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 조 진 원 
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원
      국가기반기술연구본부 연료전지연구센터
 ○ 전 화 : 02-958-5293
 ○ e-mail : jcho@kist.re.kr

2. 학력사항
 ○ 2012년 Georgia Institute of Technology 재료공학 학사
 ○ 2015년 고려대학교 신재생에너지공학 석사

3. 경력사항 
 ○ 2015 - 현재 한국과학기술연구원 연료전지연구센터, 연구원

4. 전문분야
 ○ 양자 역학 기반 Density Functional Theory(DFT) 모델링
 ○ 연료전지용 신 촉매 설계 및 표면 화학 반응 분석
 ○ 소재의 전자 구조 해석을 통한 다 성분 합금 소재 특성을 결정하는 원리 규명

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