희토류와 백금을 합금한 촉매

칭화대학교 출판부

이미지: 전기촉매 역할을 하는 백금-란탄 나노입자는 수소 연료 전지의 화학 반응을 가속화하여 전기와 물을 생산합니다.더보기

출처: Nano Research, Tsinghua University Press

연구원들은 성능을 향상시키고 비용을 절감할 차세대 연료전지의 촉매 역할을 하는 합금으로 고가의 백금과 저가의 희토류 원소인 란타늄을 결합하는 방법을 고안했습니다. 이 개발을 통해 배터리를 사용하여 전력을 공급하기 어려운 대형 운송 차량의 탈탄소화를 더 쉽게 할 수 있습니다.

이 방법은 2022년 9월 22일자 Nano Research 저널에 게재된 논문에 설명되어 있습니다.

배터리는 청정 자동차에 전력을 공급하기 위해 수소 연료 전지와의 싸움에서 승리했을 수 있지만, 다른 여러 형태의 운송 수단에서는 배터리의 무게 및 부피와 같은 다양한 장애물로 인해 내연 기관을 배터리로 교체하기가 어렵습니다. 그들이 제공하는 서비스 종류에 필요합니다. 이는 운송, 항공, 장거리 트럭 운송과 같은 대형 운송의 경우 특히 그렇습니다. 이러한 경우 대부분의 운송 분석가는 대신 일종의 청정 연료에 의존할 가능성이 있다고 제안합니다.

연료전지는 수소의 화학 에너지를 전기로 전환하여 차량 및 기타 기계에 전력을 공급할 수 있으며, 다른 출력은 물과 열뿐입니다. 지금까지 위성에서 우주왕복선까지 다양한 장치에 가장 일반적으로 사용되는 연료전지 유형은 알칼리성 연료전지였으며, 이 연료전지의 발명 역사는 거의 100년 전으로 거슬러 올라갑니다. 차세대는 수소를 사용하여 전기를 생산하는 고분자 전해질막 연료전지와 유사할 가능성이 높지만 훨씬 더 콤팩트하므로 대형 운송 차량에 특히 매력적입니다.

이러한 전기화학 반응을 보다 효율적으로 만들고 연료 전지 비용을 줄여 화석 연료 사용에 대한 경쟁력을 높이는 핵심은 이러한 반응 속도를 높이는 더 나은 촉매, 재료를 찾는 것입니다.

불행하게도 관련된 주요 화학 반응(산소 환원 반응, ORR)을 가능하게 하는 이러한 모든 '전기촉매' 중에서 백금이 단연 최고입니다. 그리고 희귀금속인 백금도 가격이 저렴하지 않습니다. 특히 PEMFC의 경우 믿을 수 없을 만큼 높은 백금 가격이 PEMFC 채택의 주요 장벽이었습니다. 부식성이 높은 PEMFC 환경에서 이미 값비싼 전기촉매를 상대적으로 적은 횟수의 사용 주기 후에 급속한 분해는 상황을 더욱 악화시킬 뿐입니다.

"따라서 가격이 저렴하고 성능 저하에 더 강하며 장기간에 걸쳐 안정적이면서도 인상적인 전류 밀도, 즉 단위 부피당 전류량을 제공하는 전기촉매를 찾고 있습니다."라고 말했습니다. 논문 저자 중 한 명이자 중국과학원 창춘 응용화학연구소의 전기화학자인 Siyuan Zhu는 “이를 통해 우리는 PEMFC의 소형화에 대한 약속을 지킬 수 있게 되었습니다.”라고 말했습니다.

비용 절감을 위해 고려된 주요 옵션은 백금의 촉매 특성을 보조하거나 심지어 향상시킬 수 있는 다른 저렴한 금속과 합금하여 전기촉매로 필요한 백금의 양을 '희석'하는 것입니다.

그리고 백금과의 합금화를 위한 주요 후보는 지금까지 소위 후기 전이 금속이었습니다. 전이금속은 주기율표의 중간, 즉 d-블록에 있는 원소입니다. 철, 망간, 크롬은 중간 블록의 중앙에 있는 전이 금속이고, 카드뮴, 아연과 같은 '후기' 전이 금속은 오른쪽에서 찾을 수 있습니다.

그러나 후기 전이 금속은 가혹하고 부식성인 PEMFC 환경에서 용해에 영향을 받지 않는 것으로 입증되었습니다. 이로 인해 성능이 꾸준히 저하될 뿐만 아니라 용해된 금속이 산소 환원 반응의 부산물과 더욱 반응하여 전체 시스템에 통제할 수 없는 손상을 초래합니다.