토요타자동차는 일본의 파인세라믹스센터와 공동으로, 수소 연료전지(FC)의 화학반응을 촉진하는 촉매로서 중요한 역할을 하는「백금」의 반응성 저하(열화)에 이르는 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.
이는 토요타와 JFCC 의 공동연구 그룹이, 관찰 및 분석용 「투과형 전자현미경」안에 연료전지 차에 탑재되는FC 스택과 같은 발전 상태를 시뮬레이션 할 수 있는 새로운 관찰용 샘플의 제작에 성공, 수 나노미터(nm：10 억분의 1미터) 정도의 「백금 미립자」의 반응성 저하에 이르는 프로세스의 관찰을 가능케 한 것이다.
「백금」의 반응성 저하는, 「백금 미립자」의 조대화(粗大化, Coarsening 결정입자가 굵고 커지는 현상)에 기인하는 것으로 알려져 있지만, 지금까지의 관찰 기법으로는 조대화에 이르는 프로세스를 실시간으로 파악하지 못해, 그 요인을 해석하는 것이 어려웠다.
이번에 개발한 기술을 통해 토요타는「백금 미립자」의 조대화에 의한 반응성 저하의 메카니즘 해석이 가능해졌으며, 이에 따라 수소연료전지에 불가결한 촉매인 「백금」의 성능•내구성 향상을 위한 연구•개발 지침을 얻게 되었다.
이번 관찰 기법의 연구에 임한 경위와 새롭게 개발한 관찰 기법의 특징은 아래와 같다.
【이번 연구의 배경】
연료전지는 기체의 수소를 연료로 하여 공기 중의 산소와의 화학반응에 의해 발전하는 원리 이다. 발전은 연료전지 스택 내부 셀 내의 수소극과 공기극이라는 두 개의 전극에서의 화학 반응에 의해 생기는 데, 이 때에 물이 발생한다.
화학반응 시, 수소극에서 수소 분자가 전자와 수소이온으로 분리되는데, 백금은 촉매로써 수소 분자로부터 전자를 떼어내는 역할을 한다. 이렇게 전자를 분리시키는 것이 발전이며, 이것이 모터를 움직인다. 또한 수소극에서 분리된 수소이온과, 발전하여 모터를 움직인 전자는 공기극으로 이동해, 공기 중의 산소와 화학반응을 일으켜 물이 생성된다. 여기에서도 「백금」이 촉매로써 수소이온과 산소의 화학반응을 촉진하는 기능을 한다. 물론 이러한 전극에서의 「백금」은, 수 나노미터(nm) 의 미립자이다.
이와 같이 「백금」은, 연료전지에서 전기를 발생시키는 데 불가결하며, 셀 내의 두 개의 전극에서 연료전지의 발전 효율을 높이는데 중요한 역할을 담당하고 있다.
그러나 「백금」은 희소 자원이라 고가임과 동시에, 전기를 지속적으로 발전시킴에 따라 「백금 미립자」가 조대화되어 성능이 저하되는 것으로 알려졌 있다. 촉매로써의 성능을 유지하기 위해서는, 「백금 미립자」가 조대화되는 메커니즘을 규명할 필요가 있는데, 지금 까지의 관찰 기법에서는, 수 나노 레벨의 「백금 미립자」가 셀 내에서 실제로 작동하고 있는 상태에서는 확인이 불가능하다는 기술적인 과제가 있었다.
【새롭게 개발한 관찰 기법의 특징】
기존의 관찰 기법은, 초기 상태(사용 전)와 반응성 저하 후(사용 후)의 「백금 미립자」를 추출해, 각각을 비교하는 정점(定点) 관찰이다. 이 관찰에 의해, 반응성이 저하되었을 때의 「백금 미립자」가 초기 상태에 비해 조대화되어 있다는 것이 알려졌지만, 조대화에 이르는 프로세스를 관찰할 수 없기 때문에 요인을 해석하기 위해서는 반응성 저하의 메커니즘을 추측할 필요가 있다.
이에 반해, 이번에 공동연구 그룹이 개발한 관찰 기법의 특징은, FC 스택의 셀 내에서 실제로 화학반응이 생기는 환경•조건과 동일한 상태를 모의할 수 있는, 새로운 관찰용 샘플을 만드는 것에 성공, 원자 레벨(0.1 nm) 물질의 관찰이나 분석을 할 수 있는 「투과형 전자현미경」을 이용하여, 발전의 경과와 함께 「백금 미립자」가 조대화되는 프로세스를 실시간으로 관찰할 수 있게 된 것이다.
새로운 관찰용 샘플은 「투과형 전자현미경」의 내부에 조립해 넣기 위해서 FC 셀을 모의한 극소의 물건으로, 이것이 「투과형 전자현미경」안에 조립된 상태로 「백금 미립자」에 전압을 가할 수 있는 장치를 개발했다. 이것에 의해, FC가 작동(발전)하고 있을 때와 같은, 화학반응을 일으킨 상태로 「백금 미립자」가 조대화되어 가는 환경을 「투과형 전자현미경」 안에서 실현, 조대화의 프로세스를 실시간으로 관찰하는 것이 가능해졌다.
이하의 사진은, 「백금 미립자」가 조대화되어 가는 실시간의 관찰 결과로, 흰 점선 내는, 담체(토대)가 되는 카본 상에서 「백금 미립자」가 이동해 복수가 합체되어 보다 큰 「백금 미립자」가 된 상태(조대화)를 보여주고 있다.
