새로운 촉매 백금 코발트 나노입자, 수소차용 연료 전지 내구성 높여

편집국 기자 / 기사승인 : 2020-08-27 14:04:58
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탄소 필요없고 부식에 강해. 촉매 변환기 제조 간편해 연료전지 차량에 최적.
표면 안정적. 공기-백금-산화코발트는 매우 안정적으로 네트워크 형성.

수소차용 연료 전지
새로운 촉매는 더 천천히 부식되어 연료 전지의 내구성을 높인다.


장거리 주행에 최적화 :
수소 차량용 연료 전지의 수명을 크게 늘릴 수 있는 촉매가 개발됐다.
백금과 코발트 산화-나노입자로 구성된 네트워크는 담체(carrier;미량의 물질을 분리ㆍ추출하기 위하여 가하는, 유사한 화학적 성질을 지닌 물질)로서 탄소를 필요로 하지 않고 부식에 더 강하다. 촉매 변환기는 산업적으로 제조하기 쉬워 연료 전지 구동 차량의 최적화에 기여할수 있다.

▲ 백금과 코발트 산화물은 연료 전지에서 촉매 역할을 할 수있는 다공성 네트워크를 형성하며 기존 촉매보다

부식에 강하다. © Gustav Sievers


연료 전지로 구동되는 수소 차량은 미래의 이동성을 위한 중요한 구성 요소다.
주행 거리가 길고 배터리 구동 차량보다 가볍기 때문이다.

연료 전지는 수소와 산소를 결합하여 물을 형성하여 전기를 생성한다.

전극의 촉매는 반응이 충분히 빠르게 일어나도록 한다.

전기 화학적 부식은 수명을 제한한다.

문제는 탄소 담체에 백금-코발트 입자로 만들어진 촉매가 현재 산소 전극에서 표준으로 사용되며 시간이 지남에 따라 부식된다는 것이다.

그 입자는 서로 융합되어 촉매의 표면적을 줄여 셀의 효율성을 낮춘다. "따라서 우리의 동기는 여전히 탄소 운반체없이 효율적으로 전기 촉매를 생산하는 것이었다"고 베른(Bern) 대학의 선임 저자 마티아스 아렌츠(Matthias Arenz)가 설명했다.

이를 위해 코펜하겐 대학의 첫 번째 저자 구스타프 시버스(Gustav Sievers), Arenz와 그의 팀은 촉매 입자에서 자체 지원 다공성 네트워크를 생성할 수 있는 방법을 개발했다.

“이것은 일반적인 탄소 기반 촉매의 부식 문제를 방지한다”고 그들은 말한다.

탄소 운반 대신 자체 지원 네트워크

연구원들은 음극 스퍼터링 공정을 사용하여 최적화된 촉매를 제조한다.
이 과정에서 기체 백금과 코발트 원자가 층으로 기판에 분사된다.
응축되면 서로 반응하고 공기와 백금과 산화 코발트로 된 다공성 네트워크를 형성한다.
이 금속 네트워크는 본질적으로 안정적이어서 캐리어 재료없이 사용할 수 있다.

Sievers는 "특수 스퍼터링 공정과 후속 처리를 통해 촉매에 넓은 표면적을 제공하고 동시에 자체 지원하는 매우 다공성 구조를 얻을 수 있다"고 보고했다.
또 다른 이점은 "이 기술은 산업적으로 확장 가능하므로 예를 들어 자동차 산업과 같은 대량 생산에도 사용할 수 있다"고 Arenz는 덧붙였다.

표면이 안정적이다.

연구원들은 이미 새로운 촉매가 연료 전지에서 얼마나 안정적인지 테스트했다.
기존의 백금-코발트 촉매는 일반적인 시작-중지 및 충전주기 동안 비교적 빠르게 분해되었다. 800주기 후에 전기 화학적 활성 표면이 53% 감소했다.
과학자들은 "자립형 백금-코발트 산화물 촉매는 훨씬 더 안정적이었으며 표면의 15%만 손실되었다"고 보고했다.

Sievers와 그의 동료들에 따르면 새로운 촉매 변환기는 도로 교통에서 사용하기 위해 수소 연료 전지를 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.
"우리가 개발한 촉매는 높은 수준의 성능을 달성하고 더 높은 온도와 높은 전류 밀도에서도 안정적인 연료 전지 작동을 약속한다"고 Arenz는 말했다. "따라서 우리의 연구 결과는 특히 교통량이 많은 모빌리티 부문의 현재 개발 측면에서 지속 가능한 에너지 사용의 추가 개발에 중요하다.“
(Nature Materials, 2020; doi : 10.1038 / s41563-020-0775-8)

출처 : Universität Bern 

[더사이언스플러스] "Green Soul, Beautiful Science" 

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