[산업기술] 프랑스, 니켈-탄소 촉매 연료전지 개발 성공

- 백금없이 에너지 생산하는 자연계 모방해 니켈-탄소 촉매 개발 -

- 바이오 모방(Biomimetic) 접근방식을 이용, 바닷말류 -

- 효율성 최적화 시 수요 급증 예상 -

□ 프랑스 연구진은 바닷말류와 같이 자연계의 생물들이 백금없이도 태양빛을 이용해 에너지를 생산한다는 사실에 착안해 매장량 및 단가 문제가 없는 니켈-탄소를 백금대용으로 사용한 촉매 개발에 성공해 연료전지 개발을 가속시킬 수 있는 실마리를 제공함.

 ○ 지금까지 연료전지용 촉매재료로 연구개발되던 백금은 매장량이 적고 가격이 비싸 연료전지 대량 생산이 거의 불가능한 실정이었는데, 이러한 문제점을 동시에 해결할 수 있는 대체 원자재를 이용한 촉매 개발에 성공함으로써 연료전지 개발에 새로운 전기를 마련해줌.

 ○ “우리는 자연이 백금없이 에너지를 생산하도록 적절한 조치를 취한다는 점에서 힌트를 얻었다.”고 밝힘. 마크 폰트카브 화학 및 금속생물공학 연구소(Laboratoire de chimie et biologie des metaux)의 연구원, 조셉-푸리에 종합대학(Universite Joseph-Fourier) 교수, 프랑스 국립과학연구소(CNRS)의 연구원이 결론한 바이오모방(Biomimetique) 접근방식은 일부 바닷말류(Cyanobacteries)들이 태양에너지 덕분에 물을 수소로 변환할 수 있다는 확인된 사실에서 출발한 것임.

  - 이 연구원은 “이들 바닷말류들은 니켈 및 철 원자의 도움을 청해 촉매작용을 실현하는 효소인 수소를 가지고 있다.”고 설명함.

 ○ 니켈 원자들을 접목시키는 모방기술에 탄소 나노튜브를 선택했던 것은 탄소 나노튜브가 지닌 2가지 특성 때문이었음.

  - 탄소 나노튜브는 부피 대비 표면적 비례가 아주 높아 화학반응을 증대할 수 있다는 점

  - 탄소 나노튜브는 훌륭한 전도체로 전자를 대량으로 운반할 수 있다는 점

 ○ 이 전략의 결과는 아주 만족스러웠음.

  - 이렇게 제조한 촉매는 아주 흡족한 수소를 생산했음.

  - 또한 반대반응, 즉 수소를 변화시켜 전기를 생산하는 것도 아주 수월했음.

 ○ 그리고 이 반응과정에서 에너지손실이 거의 없어 2000배 고가인 백금의 특성까지 가져 완벽하지는 않지만 백금을 대체할 수 있는 아주 훌륭한 물질을 개발함.

□ 백금보다는 전력이 약하나 휴대폰, 노트북 등을 작동시키기에는 충분

 ○ 니켈-탄소 촉매를 사용한 연료전지의 유일한 약점은 백금촉매를 사용했을 때보다 전력이 약해 자동차를 움직이기에는 부족하다는 점임. 그러나 휴대폰이나 노트북과 같은 전자제품용으로 사용하기에는 충분하며, 지속적인 연구개발로 이 한계성을 극복할 수 있을 것으로 전망함.

 ○ 연구진은 니켈-탄소 촉매에 대한 특허출원을 마치고 철 및 코발트와 같은 다른 물질을 촉매제로 사용할 수 있도록 연구개발 중임.

 ○ 미카엘 햄버거 교수(Appalachian State University) 및 토마스 무어 교수(Arizona State University)는 이 소식이 게재된 12월 4일자 과학잡지(Science)에 “장차 이 혼합물의 최적화는 백금없는 연료전지용 존속 가능한 촉매 개발에 도달할 것이다.”라고 긍정적인 평가를 함.

 ○ 이는 불규칙성이라는 가장 큰 단점을 안은 재생에너지계가 그토록 고대하던 보완책이 될 수 있을 것임.

 ○ 이번에 개발된 니켈-탄소 촉매 연료전지는 태양광 발전 및 풍력발전기에도 활용될 수 있을 것으로 봄. 평소에는 수소를 생산해 비축했다가 태양광이나 풍력이 약할 경우 전력 대체생산시설로 활용할 수 있을 것임.

□ 차기 연구개발 대상은 태양광을 물에 반사시켜 전기를 생산하는 인공 광합성 발전시스템

 ○ 마크 폰트카브 화학 및 금속생물공학 연구원은 자연현상을 모방한 연구개발 노력에 박차를 가해 태양빛을 물에 반사시켜 전기를 생산하는 시스템, 인공 광합성 시스템을 개발할 계획임.

□ 시사점

 ○ 프랑스는 최근 들어 미세해초류를 양식해 식물성 대체연료를 생산하는 연구개발에 연구소, 지자체 및 클러스터들이 집중적으로 지원하는가하면, 이번에는 실현가능성이 높은 니켈-탄소 촉매를 사용한 연료전지 개발에 성공하는 등 자연계의 화학반응 탐구를 통한 대체에너지 생산에 박차를 가해, 향후 대체에너지 시장에서 리드역할을 할 가능성이 보임.

 ○ 수소연료전지산업은 우리나라의 중점 개발산업이어서 세계 무대에서 프랑스와의 경쟁을 무시할 수 없게 됐음.

자료원 : 프랑스 일간지 르몽드(Le Monde) 2009.12.5