문재인 정부의 탈원전 정책이 발표되면서 신재생 에너지에 대한 기대감이 어느 때보다 높다. 신재생 에너지의 비중이 높아져야 원전 사용량을 줄일 수 있고 탈원전에 성공할 수 있다는 데는 대부분 공감한다. 다만 아직 신재생에너지를 보편화하기에는 여러 가지 문제가 있는 데 그 중 큰 비중을 차지하고 있는 것이 원가다. 태양열이나 풍력 등의 에너지는 해가 떠 있거나 바람이 불 때만 전력 생산이 가능하다. 반대의 경우 생산해 둔 에너지를 저장해 놓은 전지에서 에너지를 사용해야 하는데 여기에 사용한 충전지가 만만치 않다. 다양한 전지 후보군 중 ‘연료전지(Direct formic acid fuel cells)’도 주목을 받는다. 다만 연료전지의 용량이나 크기 등에 대해 아직 만족할만한 수준이 아니고 비용도 무시할 수준이 아니다. 연료전지는 대부분 백금 기반의 촉매를 사용한다. 백금 기반의 촉매는 활성과 안정성이 높아 다양한 촉매 반응에 적용한다. 보통 연료전지 시스템에서 백금 촉매의 가격 비중은 50%가량 차지한다. 백금이 워낙 고가에 구하기 어려워 사용량을 최대한 줄이는 것이 중요한 이유다. 국내에서 백금 사용량을 10분의 1만 사용해도 높은 효과를 낼 수 있는 촉매를 개발했다. KAIST 생명화학공학과 이현주 교수와 서울시립대 한정우 교수 공동 연구팀이 개발한 백금 단일원자 촉매로 매우 안정적인 고함량의 ‘백금 단일원자 촉매’다. 연구팀은 이 촉매를 ‘직접 포름산 연료전지(Direct formic acid fuel cells)’에 적용하는 데 성공했다. 이 연료전지는 포름산을 연료로 하며 수송 및 보관이 쉬운 제품이다.
KAIST 생명화학공학과 이현주 교수(좌)와 논문 1저자 김지환 학생. Ⓒ KAIST
보통 단일원자 촉매는 백금 입자 크기를 원자 단위로 줄여 모든 원자가 반응에 참여토록 한다. 덕분에 사용하는 백금의 양을 대폭 줄여 가격을 낮출 수 있고 원하는 생성물을 선택적으로 얻을 수 있다는 장점도 있다. 하지만 쉽게 뭉치고 안정성이 떨어져 실제 장치에 적용이 어렵다는 한계가 있었다. 연구팀은 백금 단일원자 촉매의 안정성을 높이기 위해 금속 원소인 ‘안티몬’이 첨가된 주석 산화물(Antimony-doped tin oxide, ATO) 위에 백금 단일원자가 주석과의 합금 형태로 존재하는 구조를 개발했다. 이 물질이 열역학적으로 안정적임도 계산으로 증명했다.
고각도암시야 주사투과전자현미경(HAADF-STEM) 분석법을 통해 관찰한 촉매 및 백금 단일 원자 (흰색 원으로 표시된 밝은 점). Ⓒ KAIST
이 촉매는 포름산 산화반응에서 일반적으로 사용되는 상용백금촉매(Pt/C)보다 최대 50배 높은 활성을 보였고 장기안정성 또한 월등했다. 직접 포름산 연료전지에 적용했더니 10분의 1 정도만의 백금을 사용해도 비슷한 출력을 얻을 수 있었다. 이현주 교수는 “귀금속 단일원자 촉매의 가장 큰 문제점인 낮은 함량과 낮은 안정성을 높일 수 있었고 최초로 직접 포름산 연료전지에 적용했다”라고 말했다. 김지환 학생이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 9월 11일자 온라인 판에 게재됐다. 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.