울산과학기술원(UNIST)은 수소연료전지 효율을 크게 높일 수 있는 방법을 개발했다고 22일 밝혔다. UNIST에 따르면 화학과 나명수 교수팀은 고체 전해질 소재인 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework·MOF) 기공에 이온 물질을 '손님 분자'로 도입해 수소 이온 전도성을 향상했다.
수소연료전지는 수소와 산소의 화학 반응으로 발생하는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 고효율·친환경 발전 장치다.
현재 사용되는 양성자교환막 연료전지는 열적·기계적·화학적 안정성을 지닌 나피온을 전해질로 사용해 높은 수소 이온 전도도를 구현했다. 그러나 작동하는 온도의 기점이 낮고, 메커니즘이 불분명해 성능 향상에 한계가 있다는 단점이 있었다.
이에 연구팀은 그 대안으로 MOF에 주목했다.
MOF는 금속과 유기물이 결합해 다공성 구조를 형성하는 물질로, 화학적·열적 안정성이 우수해 최근 연료전지용 소재로 주목받고 있다. 특히 MOF는 생성될 때 다양한 크기의 기공을 형성하는데, 기공을 통해 수소 이온 전도도를 향상하는 손님 분자를 도입할 수 있다.
연구팀은 산성도가 낮고 양성과 음성 전하를 동시에 지닌 양쪽성 이온 물질인 설파믹산을 손님 분자로 두 종류의 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 개발했다.
또 장기간 수소 이온 전도성이 유지되는 것을 확인해 높은 내구성도 확보했다.
나명수 교수는 "이번 연구는 높은 전도성의 수소 이온 물질을 개발할 때 강산성 물질을 MOF에 도입해야 하는 제한을 없애는 새로운 패러다임을 제시했다"며 "설파믹산을 이용한 연구가 다양한 분야에 응용될 기회도 제공했다"고 말했다.
연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 '앙게반테 케미'(Angewandte Chemie International Edition)에 지난달 26일 온라인 게재됐으며, 이달 20일에는 연구 표지 논문으로도 선정됐다. 연구는 한국연구재단이 주관하는 중견연구자지원사업으로 이뤄졌다.