저가 연료 전지용 탄소 나노튜브 촉매

 

산소 분자의 결합을 깨뜨리는 과정인 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction 

(ORR))을 촉진하는 우수한 효율성으로 인해 백금 나노입자(Platinum 

nanoparticles)는 수소/산소 연료 전지(고분자 전해질 연료 전지와 같은 것)의 음극 

물질로 광범위하게 사용되고 있다. 비록 백금이 최상의 ORR 촉매(electrocatalysts)

로 고려되고 있지만, 백금의 안정성은 그리 우수하지 못하다. 백금 촉매 성능은 연

료 전지에 도입되자마자 즉각적으로 저하되기 시작하여 활성이 나타나지 않을 때까

지 진행된다. 

 

백금은 서로 응집되거나 혹은 일산화 탄소(carbon monoxide)의 피독(poisoning) 

현상에 의해 촉매 효과가 떨어지기 때문에, 고순도의 수소 혹은 고밀도의 촉매가 요

구된다. 백금의 가격뿐 아니라 이러한 성질은 연료 전지가 상용화되지 못하고 있는 

주된 문제이다. 

 

연구자들은 비귀금속 ORR 촉매를 1960년대부터 찾아왔으며, 몇 종류의 비귀금속 촉

매가 몇 년간에 걸쳐 조사되었었다. 연료 전지의 백금 전극을 대체하거나 혹은 감소

시키려는 최근의 노력을 통해 최근 백금 기반 합금 및 나노와이어, 전이 금속 찰코게

니드(transition metal chalcogenides), 탄소 나노튜브 지지의 금속 입자, 효소 전기

촉매 시스템, 전도성 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-

ethylenedioxythiophene)) 코팅 멤브레인과 같이 새로운 ORR 전기촉매가 개발될 

수 있었다. 

 

한편, 데이톤대(University of Dayton) 재료공학 교수인 리밍 다이(Liming Dai) 연구

진은 몇 년 전부터 정렬된 탄소 나노튜브의 성장 및 기능화에 대한 연구를 진행하고 

있다. 최근 그들은 철 프탈로시아닌(iron(II) phthalocyanine)의 열분해(pyrolysis)

로 생성된 수직 정렬 질소 함유 탄소 나노튜브에서 전기화학 정제에 의해 잔여 철 촉

매가 완벽히 제거되면 암모니아 증기의 존재에 상관없이 효과적인 ORR 전기촉매로 

거동할 수 있음을 발견하게 되었다. 연구진은 금속을 함유하지 않는 VA-NCNT가 4

전자 ORR 프로세스에 대해 기존의 백금 전극보다 우수한 활성도, 일산화탄소 내피

독성, 장기 구동 안정성을 나타내는 것을 확인하였다. 

 

이러한 장점 외에 정렬된 탄소 나노튜브의 큰 표면적, 우수한 전기 및 기계적 성질, 

우수한 열 안정성은 연료 전지로 사용될 때 추가적인 장점을 제공한다. 이번에 개발

된 촉매는 이전의 백금 및 백금 치환체보다 우수하다. 콘쥬게이트 나노튜브의 탄소 

면에 전자 수용의 질소 원자가 도입되면 인접한 탄소 원자는 양의 전하 밀도를 갖게 

된다. 

 

특정한 정렬 구조와 조합된 이러한 성질로 인해 산소 환원 반응은 효율적인 4전자 경

로를 따르게 된다. 프로세스는 전기화학 싸이클링에 의한 양전하 탄소 원자의 환원 

그리고 흡수된 산소 분자를 환원시킴으로써 환원된 탄소 원자를 선호되는 형태로 재

산화시키는 과정으로 구성된다. 금번 연구를 통해 질소 함유 탄소 나노튜브 전극의 

실용성이 입증되었을 뿐 아니라 인접한 탄소 원자에 양 전하를 형성하기 위한 질소 

도핑의 역할이 증명되기도 하였다. 이러한 특성은 연료 전지를 뛰어넘어 다양한 비

금속 ORR 촉매의 개발에 활용될 것으로 기대되고 있다. 

 

[그림] 

질소 도핑된 탄소 나노튜브 어레이는 알칼리 연료 전지에서 산소 환원을 위한 백금

보다 우수한 전기촉매 활성도를 갖는 무금속 전극으로 거동함. 

 

[원문] 

"Nitrogen-Doped Carbon Nanotube Arrays with High Electrocatalytic Activity for 

Oxygen Reduction", Science 2009, 323, 760

 

http://www.nanowerk.com/

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-02-06