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미래에너지융합학과 최민기 교수가 『Nature Communications』에 자가 조립형 Ni-Rh 합금 촉매를 통한 직접 메탄 연료 주입형 양성자 전도성 세라믹 연료전지(Proton-conducting ceramic fuel cell)의 고성능 및 고안정성 중저온 운전 성능 향상과 관련한 논문을 게재했다.

『Nature Communications』는 IF=16.6, JCR: 92.5%, 상위 8%(Multidisciplinary science)인 세계적인 권위의 학술지이다. 

논문 제목은 'Direct methane protonic ceramic fuel cells with self-assembled Ni-Rh billic catalyst'로 11월 18일자로 게재됐다.
(논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41467-023-43388-8 , 교신저자: 홍종섭 연세대 부교수, 이원영 성균관대 부교수, 제1저자: 홍경표 연세대 박사, 최민기 서울과기대 조교수)

전 세계적으로 온실가스로 인해 지구 온난화 문제가 대두되고 있으며, 탄소중립 사회에 다가가기 위해 친환경 에너지 기술 개발이 필요한 시점에, 메탄의 습식 개질은 CH4와 H2O로부터 청정 연료인 수소를 생산하기 때문에 지구 온난화 문제를 해결하고 탄소 중립 사회에 도달할 수 있는 훌륭한 기술이다. 
양성자 전도성 세라믹 연료전지는 온실가스이자 천연가스 주성분인 메탄을 직접 공급하여 발생하는 수소를 전기화학 반응을 통해 전기를 생산할 수 있지만, 기존 전극에 사용되는 촉매인 니켈 (Ni) 은 온도가 감소함에 따라 활성이 급격히 낮아지고, 탄소 침착으로 인해 활성 표면이 줄어들어 안정성에 문제가 있기때문에, 이러한 문제를 해결하기 위한 전극 촉매의 개선이 필수적이다.

이번 논문에서는, 니켈-로듐 (Ni-Rh) 자가조립 이종합금 촉매를 적용하여 세계 최고 성능과 안정성의 양성자전도성 세라믹 연료전지를 개발했다. 
Ni-Rh 촉매가 형성된 셀은 기존 양성자 전도성 세라믹 연료전지 보다 중저온에서 약 2배 이상의 성능이 개선되었으며, 이는 니켈과 로듐이 합금으로 형성 됨에 따라 메탄 개질 활성이 크게 향상되었기 때문이다. 게다가, 니켈-로듐 적용 셀은 기존 셀보다 약 20배 이상의 안정성을 확보했다.

▲자가조립된 Ni-Rh 나노촉매

연구팀은 Synchrotron-d in-situ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 및 In-situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) 등과 초고해상도 특성 분석을 통해 니켈-로듐 이종합금 촉매의 자가탄소세정 특성으로 인한 내구성 향상을 확인하였다. 
이 연구를 통해 Ni-Rh 촉매의 단순 적용 방법, 성능/내구성 개선, 반응 메커니즘 규명에 대한 내용을 확보할 수 있었으며, 이는 연료전지 뿐만아니라 다양한 개질 촉매 및 연료활용이 필요한 전기화학디바이스에 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

▲Ni-Rh이종합금 촉매를 활용한 연료전지의 전기화학적 성능 평가

한편, 최민기 교수는 성균관대학교에서 기계공학부 학사(2015), 기계공학부 박사(2021)를 수료 후, 현재 서울과기대 미래에너지융합학과에서 조교수로 임용되었다.

▲미래에너지융합학과 최민기 조교수