군마대학(群馬大學) 공학연구과 나노재료시스템 공학전공 오자끼 쥰이지(尾崎純

一) 교수의 연구 그룹은 고체고분자형 연료전지(PEFC, Polymer Electrolyte Fuel 

Cells)의 전극 재료인 탄소 재료의 표면에 대량으로 부착시키고 있는 백금 미립자의 

양을 대폭 줄인 탄소 재료의 개발을 위한 핵심 기술 개발에 성공했다. 탄소 재료 자

체에 산소 환원 촉매 기능을 부여한 것이 기술 개발의 핵심이다. 백금 사용량이 대

폭 절감되어 PEFC의 제작 비용이 크게 줄어들게 됐다.

PEFC는 수소와 산소를 화학 반응시켜 물을 만드는 과정에서 발전을 가능케 한다. 

연료극(플러스 전극) 쪽에서 수소 가스가 산화되는 반응으로 수소 이온과 전자가 발

생한다. 한편, 공기극(마이너스 전극) 쪽에서는 산소 가스가 수소 이온과 전자에 의

해 환원되는 반응으로 물이 생긴다. 산소를 환원하는 반응은 매우 느리기 때문에, 백

금의 미립자(평균 입경 2~5nm)가 탄소 재료의 표면에 다수 담지(擔持)하여 반응을 

촉진시키는 촉매로서 작용하게 한다. 백금 미립자는 주로 공기극 쪽에 사용되지만, 

연료극 쪽에서 사용되는 경우도 있어 백금을 다량으로 사용한다는 점이 PEFC의 고

비용화를 초래하게 된다.

오자끼 교수의 연구 그룹은 탄소 중에 철이나 코발트의 착체를 분산시키면 산소의 

환원 활성을 높일 수 있다는 것을 발견하고, 백금 미립자의 촉매를 대신한 탄소 재료

의 개발에 착수했다. 그 결과 코발트(Co)나 철(Fe)의 프탈로시아닌 착체가 산소 환

원 활성이 높다는 사실이 확인됐다.

탄소 안에 코발트 등 금속 원소의 프탈로시아닌 착체를 분산시키는 방법은 열경화

성 수지인 프란 수지에 3wt%의 코발트나 철을 첨가하여 고온 처리하는 방법을 통해 

실현됐다. 800℃의 고온에서 수지의 탄소 이외의 원소 원자를 기화시키면서 탄소 원

자를 확산시키면 흑연 등의 구조를 갖는 탄소화가 진행된다. 이 착체를 포함하는 탄

소 재료는 직경 10~50nm의 중공(中空) 구조를 갖는 바구니 형상의 탄소를 포함한

다. 바구니 형태의 탄소는 직경이 미세한 경우 산소 환원 활성이 높은 것으로 추정되

고 있다. 

연구 그룹은 탄소 재료를 미립자화함으로써 산소 환원 활성을 갖는 다수의 활성점

을 표면에 배치하여 보다 높은 활성화를 도모했다. 연구 그룹은 제작된 탄소 재료의 

분쇄물을 슬러리로 만들어 150MPa의 고압에서 단결정 다이아몬드 노즐을 이용하

여 분출시키는 방법으로 평균 입경 35nm의 탄소 미립자를 만드는데 성공했다. 이 탄

소 미립자 내에는 코발트의 프탈로시아닌 착체가 분산되어 있다.

오자끼 교수에 따르면, 연구 그룹은 당분간 이 재료를 백금 미립자와 병용하고 개발

한 탄소 재료를 이용하여 어느 정도까지 백금 미립자를 대체할 수 있을 것인지를 알

아볼 계획이다. 백금 촉매의 비용을 절반 정도까지 줄이는 것이 현재의 목표이다.

정보출처   http://expo.nikkeibp.co.jp/innovation/news/news49.html  

출판날짜   2004년 09월 26일 

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