'시금치'가 연료전지의 비용을 낮추는 핵심 단서가 될 가능성

연료전지는 발전 효율이 높은 에너지원으로 응용이 기대되고 있는 전지이지만, 제작 재료가 고가인 것이 단점이어서 보급의 걸림돌이 되고 있습니다. 이 재료비를 줄이기 위해 '시금치'를 이용하려는 연구가 아메리카대학 화학부의 소존 죠 씨 연구팀에 의해 진행되고 있습니다.

Spinach Gives Fuel Cells a Power Up - IEEE Spectrum
https://spectrum.ieee.org/energywise/green-tech/fuel-cells/spinach-gives-fuel-cells-a-power-up

Spinach Gives Fuel Cells a Power Up

실용화되고 있는 연료전지는 높은 발전 효율을 실현할 수 있는 전극 촉매로 백금을 사용하고 있습니다. 하지만 백금은 희귀하고 고가이기 때문에 연료전지 자체도 고액이 되어 버려, 연료전지의 보급을 방해하는 원인이 되고 있었습니다. 이 비용을 낮추기 위해 많은 연구자에 의해 백금의 대체 촉매가 연구되어 왔지만, 비용 대비 효과적이지 않을 것이 대부분이어서 실용화에는 이르지 못했습니다.

그런 가운데, 죠 씨 연구팀은 백금을 대체하는 저렴한 소재로 '시금치'를 선택했습니다. 죠 씨 연구팀은 현지 슈퍼마켓에서 구입한 시금치를 기반으로 연료전지에 사용할 수 있는 높은 탄소 촉매를 제작하는 연구를 수행했습니다.

대체 소재로 시금치가 선정된 이유는 철과 질소의 함유량이 높기 때문이라고 죠 씨는 말합니다. 그리고 시금치가 재생 가능한 바이오매스 자원이라는 것도 이유 중 하나입니다. "시금치는 백금보다 분명히 손쉽게 구할 수 있고 재배량을 늘리는 것도 어렵지 않습니다. 지속 가능성은 우리가 생각하는 매우 중요한 요소입니다"라고 죠 씨는 말합니다.

시금치 기반의 촉매 제작은 일부 과정은 스무디를 만드는 레시피와 유사하다고 죠 씨는 말합니다. 시금치를 촉매로 사용하기 위해 먼저 신선한 시금치 잎을 씻어 믹서에 갈아 액체 상태로 동결 건조합니다. 그 다음 동결 건조한 시금치를 분쇄하여 가루로 만든 후 질소 촉진제로서 멜라민을 첨가. 거기에 염화나트륨과 염화칼륨을 첨가하고 900도의 고온에서 여러 번 열분해하여 나노시트 형상의 촉매를 제작합니다.

죠 씨에 따르면, 염화나트륨 · 염화칼륨을 추가함으로써 나노시트가 작은 구멍을 많이 가진 다공성을 얻을 수 있다고 합니다. 이 다공성으로 연료전지에 필요한 산소를 투과할 수 있는 특성을 실현하고 있다고 합니다.

죠 씨 연구팀은 시금치 촉매가 유망하다고 말하는 한편, 실용화를 향한 길은 아직 멀어 "지금까지의 연구는 원리의 증명에 불과하다"고 말합니다. "실용적인 연구에 대해 말할 때는 매우 주의해야 합니다. 왜냐하면 실험 단계에서 뛰어난 결과를 보여도 실제 장치에 구현하면 결과가 나빠질 가능성이 있기 때문입니다"라고 죠 씨는 덧붙여, 실용화를 위해 해결해야 할 과제가 많이 남아 있음을 시사합니다.

과제의 하나는 죠 씨가 중시했던 지속 가능성. 시금치 촉매를 제작하기 위해서는 900도의 고열이 필요해, 열 발생이 이산화탄소 배출에 이르기 때문에 제작 과정에서의 에너지 효율 향상이 과제가 되고 있습니다. 또 다른 과제는, 시금치 촉매는 수소 이온 농도가 알칼리에 가까울수록 플래티넘 촉매보다 높은 성능을 얻을 수 있지만, 산성에 가까울수록 효율이 떨어진다는 점. 수소 이온 농도에 관계없이, 시금치 촉매의 효율을 유지하는 것도 난해한 과제가 되고 있습니다.

이미 죠 씨 연구팀은 시금치 촉매의 프로토 타입을 완성하였고, 연료전지에 시금치 촉매를 테스트하는 단계까지 진행하고 있습니다. 그러나 죠 씨는 "나의 연구팀은 테스트를 실시하기 위한 충분한 전문지식이 없습니다"라고 정직하게 상황을 토로하며 "시금치 촉매 테스트는 필요한 단계이므로, 다른 그룹과의 공동연구 및 연구팀 전체의 새로운 전문지식의 축적을 고려하고 있습니다"라고 죠 씨는 말합니다.