새로운 MOF 기반 수소연료전지용 고체전해질 설계와 개발 가이드라인 제시
열처리 조건에 따른 배위수 변화와 수소 이온전도도 향상 원리/UNIST 제공
울산과학기술원(UNIST) 화학과 나명수 교수·백승빈 연구교수·김영삼 교수 공동연구팀이 금속과 유기물이 혼합된 금속-유기 골격체(MOF)로 이뤄진 양성자 교환막 연료전지용 전해질막 소재를 개발했다.
수소 이온 전도성이 뛰어난 이번 소재 개발과 함께 전해질의 수소 이온 전도도를 높이는 원리까지 밝혀냈다.
수소연료전지는 2개의 전극과 두 전극 사이에서 수소 이온을 전도시키는 전해질막이 매우 중요하다.
전해질막의 수소 이온 전도도는 화학반응 속도에 영향을 줘 연료전지 효율을 결정하기 때문이다.
연구팀은 MOF로 60℃에서 10-2S(지멘스)/cm 이상의 수소 이온 전도도를 지닌 전해질 소재를 개발했다.
MOF의 한 종류인 MOF-808에 아미노술폰산이온을 첨가(손님분자)해 만들었다.
MOF-808은 지르코늄 금속과 유기물이 결합한 MOF다.
개발된 다공성 소재를 고온에서 열처리해 30배 이상 높은 이온전도도가 나타났다.
열처리를 하면 기공 내부의 산성도가 높아지면서 수소 이온이 효율적으로 이동하는 수소 결합 네트워크가 만들어지기 때문이다.
연구팀은 기공 내 산성도가 높아진 이유도 분석해냈다.
첨가된 손님분자인 아미노술폰산 이온이 수소 결합 네트워크를 만드는 데 중요한 역할을 하는 것을 발견했다.
열처리하면 아미노술폰산 이온 1개에 금속 이온 2개가 결합하게 돼(배위수 변화) 산성도가 높아지는 원리다.
반면 열처리를 하지 않으면 아미노술폰산 이온 1개와 지르코늄 금속 이온 1개가 결합한다.
개발된 MOF-808 고체전해질은 황산과 같은 강산이 포함되지 않아 성능 저하 없이 장기간 쓸 수 있으며 합성도 쉽다.
일반적으로 MOF 고체전해질을 이용해 수소이온 전도도를 10-2 S/cm 이상까지 높이기 위해서는 황산 같은 강한 산성 물질을 MOF 기공에 고정한다.
또 MOF 구조를 구성하는 유기물 리간드에 쉽게 수소 이온을 내놓는 작용기를 끼워 넣는 방법 등을 사용한다.
하지만 이러한 방법은 강산에 의한 MOF 안정성 저하, 유기물 리간드 합성의 어려움 등이 있었다.
나명수 교수는 “고체전해질 내에서 수소 이온 이동 원리를 구체적으로 찾아냈다는 점에서 학술적 의의가 크다”며 “새로운 MOF 기반 수소연료전지용 고체전해질을 설계하고 개발하는 가이드라인을 제시할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘앙게반테케미’ 표지논문으로 선정돼 지난 5월 17일자로 공개됐다.
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