화학뉴스

울산과학기술원(UNIST)이 수소연료전지 효율을 크게 높일 수 있는 방법을 개발했다.
UNIST 화학과 나명수 교수팀은  한국연구재단이 주관하는 중견연구자지원사업으로 고체 전해질 소재인 금속-유기 골격체(MOF: Metal-Organic Framework) 기공에 이온물질을 손님분자로 도입해 수소 이온 전도성을 향상했다.
수소연료전지는 수소와 산소의 화학 반응으로 발생하는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 고효율·친환경 발전 장치이다.
현재 사용되는 양성자교환막 연료전지는 열적·기계적·화학적 안정성을 갖춘 나피온(Nafion)을 전해질로 사용해 높은 수소 이온 전도도를 구현했으나 작동하는 온도의 기점이 낮고 메커니즘이 불분명해 성능 향상에 한계가 있다는 단점이 있다.
이에 따라 연구팀은 대안으로 MOF에 주목한 것으로 알려졌다.
MOF는 금속과 유기물이 결합해 다공성 구조를 형성하는 물질이며 화학적·열적 안정성이 우수해 최근 연료전지용 소재로 주목받고 있다.
특히, MOF는 생성될 때 다양한 크기의 기공을 형성하며 기공을 통해 수소 이온 전도도를 향상하는 손님분자를 도입할 수 있다.
연구팀은 산성도가 낮고 양성과 음성 전하를 동시에 갖춘 양쪽성 이온물질인 설파믹산(Sulfamic Acid)을 손님분자로 2종류의 MOF에 도입했다.
설파믹산은 다양한 형태의 수소 결합이 가능해 수소 이온 전달 매개로 작동한다.
연구팀은 MOF 기공 내부에 설파믹산의 양을 증가시켜 높은 수소 이온 전도성을 가진 물질을 최초로 개발했고 장기간 수소 이온 전도성이 유지되는 것을 확인해 높은 내구성도 확보했다.
나명수 교수는 “높은 전도성의 수소 이온물질을 개발할 때 강산성 물질을 MOF에 도입해야 하는 제한을 없애는 새로운 패러다임을 제시했다”며 “설파믹산을 이용한 연구가 다양한 분야에 응용될 기회도 제공했다”고 강조했다.
연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)에 5월26일 온라인 게재됐고 6월20일에는 연구 표지 논문으로도 선정됐다. (강)