“수소경제와 탄소중립 사회의 실현을 위해서는 촉매 기술이 필수적입니다.”

대덕연구단지에 위치한 한국에너지기술연구원에 근무하는 김희연 박사는 지난 96년부터 27년째 촉매를 연구하고 있다. 경유의 심도탈황 촉매 개발로 박사 학위를 취득한 후, 2004년 연구원에 입사하여 연료전지나 수소제조공정, 온실가스 전환공정 등에 적용하기 위한 촉매 개발에 매진하고 있다. 촉매 전문가인 김 박사는 고온에너지전환연구실 소속으로, 고온수전해, 고온연료전지 시스템의 전극 소재, 고분자전해질연료전지용 전극촉매, 건식개질 기반 수소제조용 촉매, 이차전지 전극 소재 등을 연구한다.

촉매는 ‘자신은 변하지 않으면서 화학반응의 속도를 변화시키는 물질’인데, 고분자전해질연료전지의 가동을 위해서는 백금 촉매가 사용된다.

“연료전지 전극에 사용되는 백금은 귀금속으로 가격이 비싼데, 운전 중 촉매의 비활성화가 발생해 연료전지 내구성을 저하시킬 수 있습니다. 따라서, 연료전지 촉매 개발에서 가장 큰 이슈는 최소량의 백금 사용으로 높은 성능과 내구성을 확보하는 것입니다.”

김희연 박사는 촉매의 내구성 저하 문제를 새로운 촉매 구조의 도입을 통해 해결했다. 백금의 지지체로만 사용되던 탄소를 백금의 표면에도 적용한 것이다. 백금 촉매의 보호를 위해, 높은 전기전도도와 열전도도, 기계적 강도와 유연성을 가지고 있어 에너지 소재로 각광받는 그래핀 껍질을 도입했다. 촉매 표면에서의 반응을 위해 매끈하고 완벽한 그래핀 대신 구멍이 숭숭 뚫린 그래핀을 적용했다.

세계 최초로 개발되어 국내외 특허 등록을 완료한 다공성 그래핀 코팅 기술은 최근 ㈜액트로에 기술이전 되었다.

“2010년 초에 자체연구를 통해 최초로 그래핀 합성 기술을 개발한 후, 2014년부터 연구원 기본사업 지원으로 다공성 그래핀 코팅 촉매 연구를 진행했습니다. 그런데, 최초에 6년차 과제로 협약되어 초기 3년 동안 연차평가에서 매번 최우수 등급을 받았던 과제가 연구원 사정으로 인해 갑자기 지원 중단되었습니다. 3년간의 추가 연구를 통해 기술사업화까지 계획하고 있었던 과제였기에, 매우 당황스러웠습니다. 그럼에도, 당시 개발된 기술과 특허의 중요성과 우수성을 인정받아 연구원 내·외부로부터 지속적으로 국내외 기술마케팅 지원을 받을 수 있었고, 이러한 기회를 바탕으로 기술사업화에 성공할 수 있었던 것 같습니다.”

그가 개발한 다공성 그래핀 코팅 기술은 일반적인 관점을 벗어나는 것이었다.

“구멍이 많은 그래핀을 백금 촉매에 코팅하면, 그래핀층 내부에 형성된 나노 크기 구멍으로 가스와 이온이 전달되어 촉매반응에는 지장을 주지 않으면서, 백금의 용해나 탈락, 응집과 같은 비활성화를 근본적으로 억제할 수 있습니다. 이러한 효과로 그래핀 코팅 촉매는 비코팅 촉매 대비 내구성이 최소 2배 이상 향상될 수 있습니다. 현재 국내의 한 대기업에도 기술이전을 준비하고 있습니다.”

김 박사는 현재 온실가스를 이용해 수소를 만드는 연구도 진행하고 있다.

“대표적 온실가스인 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)를 반응물로 이용하여 수소를 합성하는 건식개질 공정의 상용화를 위해, coking-free(탄소침적에 의한 비활성화를 억제) 촉매를 개발하고 있습니다. 앞으로 촉매원천기술을 바탕으로 탄소중립에 기여할 수 있도록 노력할 것입니다.”

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