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가정용 연료전지 효율 향상에 기여....

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글쓴이 김대웅 등록일 12-09-19 11:39
조회 1,275
    홋카이도대학 촉매화학연구센터의 연구팀은 가정용 연료전지의 효율 향상에 기여할 수 있는 백금원자와 루테늄 원자가 혼합된 신규 합금 촉매 개발에 성공하였다. 신규 합금 촉매 상에서는 연료인 수소에 아주적은 일산화탄소가 공존하더라도 이 일산화탄소는 높은 효율로 제거되어, 귀금속의 사용량이 적더라도 높은 효율로 연료전지 발전이 가능하게 되었다. 또한, 백금원자와 루테늄원자뿐만 아니라, 다른 원자에 관해서도 동일하게 혼합한 새로운 합금 촉매의 개발이 가능하게 되어 가정용 연료전지 분야에 한정되지 않고 에너지 환경문제 해결에도 기여할 것으로 기대된다. 

    홋카이도대학 촉매화학연구센터 연구팀은 가정용 고체고분자형 연료전지시스템에 이용되고 있는 백금-루테늄 합금 촉매의 합금화(백금과 루테늄의 혼합)를 최대치까지 높임으로써 높은 촉매활성과 안정성을 나타내는 전극 촉매를 개발하고, 고에너지 가속기연구기구의 방사광과학연구시설의 장치를 이용하여 촉매 기능의 발현 메커니즘과 고효율화의 이유를 밝혔다. 본 촉매를 이용함으로써 연료인 수소에 미량의 일산화탄소가 공존하더라도 그것을 산화 제거함으로써 귀금속의 사용량을 적게 하고 높은 효율로 연료전지 발전이 가능하게 되어 귀금속 자원의 유효이용을 실현한 것이다. 

    물과 기름은 혼합하더라도 결국에는 분리된다. 그 성질과 동일한 백금과 루테늄은 백금-백금 및 루테늄-루테늄이라는 동종 금속 사이에 결합을 만들기 쉬워 백금과 루테늄 상으로 상분리가 발생하기 때문에 활성점인 백금-루테늄 결합이 감소함으로써 촉매활성이 낮아지는 문제가 있었다. 

    본 연구에서는 백금과 루테늄의 전구체 혼합물을 단시간에 승온하고 급격하게 냉각시킴으로써 새로운 나노백금-루테늄 합금 촉매를 합성하였다. 본 연구에서 개발한 원자가 완전하게 혼합된 합금 촉매는 가정용 고체고분자형 연료전지 시스템에 이용할 수 있는 촉매로서는 일산화탄소에 의한 피독에 대해 현재 고활성 촉매 중에서 가장 높은 내성을 나타내어 고효율로 발전할 수 있었다. 

    새로운 나노 백금-루테늄 합금 촉매 위에서 일산화탄소가 제거되는 것은 다음과 같은 전기화학 산화와 수성 가스이동반응(gas shift reaction)으로 나누어 속도를 해석하였다. 
    - 전기화학 산화: CO + OH → CO2 + H+ + e- 
    - 수성 가스이동반응: CO + H2O → CO2 + H2 
    그 결과, 연료전지를 높은 효율로 운전하고 있는 조건에서는 주로 수성 가스이동반응에 의해 일산화탄소가 산화 제거되는 것을 발견하였다. 

    고에너지가속기연구기구 물질구조과학연구소의 방사광과학연구시설에서 백금-루테늄 합금 촉매의 구조 분석을 수행한 결과, 백금과 루테늄의 결합 비율은 백금 또는 루테늄을 기준으로 3:2로, 각 원자의 존재비는 완전히 일치하여 원자가 완전히 혼합된 상태라는 것을 알았다. 지금까지는 백금-루테늄 촉매에서 원자가 완전히 혼합된 합금 촉매의 보고 사례는 없었다. 

    앞으로 본 기술을 이용함으로써 원자수준에서 원소의 분포를 제어한 새로운 함금 촉매의 개발 및 새로운 촉매의 설계가 가능하게 되어 연료전지의 분야뿐만 아니라 에너지 환경문제의 해결에 기여할 것으로 기대된다. 

    (그림 1) 가정용 고체고분자형 연료전지시스템 및 개발한 촉매  [이 게시물은 최고관리자님에 의해 2013-04-04 22:11:44 Free Board에서 이동 됨]

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