서울과학기술대학교(총장 이동훈, 이하 서울과기대) MSDE학과 안지환 교수팀(제1저자 계승현, 김형준 연구원/공동저자 고도현, 양병찬, 신정우, 이성제 연구원)이 최신 반도체 공정을 활용해 제작된 신개념 나노 촉매 적용을 통해, 천연가스 구동 연료전지의 성능 및 경제성을 동시에 향상시킬 수 있음을 증명했다. 

연료전지는 최근 관심이 집중되고 있는 수소 기반 경제 및 수소 전기차의 핵심 시스템으로써, 높은 효율로 전기 에너지 변환이 가능하면서도 환경적으로 청정하다는 장점으로 인해 최근 활발한 연구 개발이 진행되고 있다.  
  ◦ 특히 고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)로 대표되는 세라믹 연료전지는 효율이 높고 수소 이외의 다양한 연료를 사용할 수 있는 차세대 에너지 시스템으로 각광받고 있다. 
  ◦ 이러한 세라믹 연료전지의 연료로 천연가스(주성분 메탄)를 사용할 경우, 기존의 연료 공급 인프라를 활용하면서도 높은 효율로 전기에너지를 생산할 수 있다.

귀금속 소재 기반의 촉매층은 연료전지 막(MEA)의 핵심 요소로써, 이의 성능과 내구성을 동시에 향상시키는 것이 매우 중요하다. 귀금속 소재의 높은 가격을 고려할 때, 귀금속 함량을 최소화하면서도 촉매 성능을 향상시키는 연구가 필수적으로 여겨진다.

안지환 교수팀은 다공성의 세륨 산화물 지지구조 상에 플라즈마 원자층 증착 공정을 이용하여 루테늄(Ru) 나노 촉매 입자를 제작하였다. 플라즈마 원자층 증착법은 최신 반도체 공정 중의 하나로 플라즈마를 활용하여 박막이나 나노 입자를 원자층 단위로 정밀하게 증착할 수 있는 기술이다. 

극소량(< 0.01 ㎎/㎠)의 귀금속을 사용하면서도 메탄 변환 성능이 우수한 촉매 구조 및 공정을 개발하였는데, 기존의 물리적 증착 공정을 이용하여 제작된 촉매 대비 귀금속 사용량이 1/20 이하에 불과함에도 장시간 구동시 70% 이상 전극 성능이 개선됨을 보였다. 또한 메탄 구동 시 성능 악화의 원인이 되는 탄소 침적을 1/3 수준으로 낮췄다.
  ◦ 전자현미경(TEM) 분석 결과, 이는 플라즈마로 인해 활성화된 세륨 산화물 나노 구조 표면상에 원자층 증착 공정을 통하여 고밀도의 루테늄 나노 촉매가 증착되었기 때문인 것으로 밝혀졌다. 
  ◦ 결과적으로 메탄 전기화학적 산화 반응이 일어나는 세륨 산화물-루테늄 계면과 메탄 개질 반응이 일어나는 루테늄 표면적 밀도를 최적화함으로써 높은 성능을 구현할 수 있었다. 

안지환 교수는 “우리나라의 차세대 성장동력인 반도체 분야와 에너지(연료전지) 분야 간의 기술 융합을 통해, 새로운 기회를 창출할 수 있음을 보인 사례”라고 연구의 의의를 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단(신진연구자지원사업 및 한일협력연구사업) 및 전남지역사업평가단(튜닝부품 선도기업 맞춤형 지원사업, 주관기관:아이비머티리얼즈)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구개발 결과는 미국 화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 물리화학 분야 최우수 저널인 ACS Catalysis (IF 12.35) 온라인판에 출판되었다. 

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