국내 연구팀이 신재생에너지, 휴대용 연료전지, 촉매 등에 사용되는 나노입자를 만들기 위해 엑솔루션 현상을 제어하는 방법을 찾아냈다.
포스텍(총장 김무환)은 한국과학기술원(KAIST)·광주과학기술원(GIST)과 공동으로 페로브스카이트 구조에서 양이온과 산소 결합세기를 조절, 엑솔루션 현상이 조절될 수 있다는 것을 증명했다고 14일 밝혔다.
이번 연구는 한정우 포스텍 화학공학과 교수, 박사과정 김경학 씨 연구팀과 정우철 KAIST 교수팀, 김봉중 GIST 교수팀이 공동으로 참여했다.
기존에는 나노입자를 진공증착 방식으로 만들었는데, 시간과 비용이 많이 들고 열에 불안전하다는 한계가 있었다. 대안으로 페로브스카이트 격자에 고온과 환원 환경을 만들어 금속 이온이 격자에서 빠져나와 표면에서 자라는 엑솔루션 방식이 연구됐다.
그동안 다양한 재료에서 응용 가능성이 제안됐지만, 원자단위 구동인자가 보고된 바는 없어 이를 성공적으로 제어하는 데에 어려움이 있었다.
연구팀은 낮은 온도에서 열적 안전성을 높게 유지하면서 나노입자를 빠르게 만들기 위해 양이온과 산소의 결합 세기를 조절했다. 특히 큰 이온반지름을 갖는 원소를 치환함으로써 양이온과 산소의 결합길이를 제어했다. 이번에 개발된 방법으로 산화촉매에 적용하였을 때 촉매적 활성을 기존 엑솔루션 촉매 대비 4배까지 증진시킬 수 있음을 확인했다.
엑솔루션을 통해 합성된 재료는 연료전지 음극전극으로 활용돼 전극 내구성을 향상시켜 전지 수명 증가에도 도움을 줄 것으로 기대된다. 가스센서, 개질반응 및 다양한 금속산화물 기반 나노입자 촉매가 활용되는 화학촉매에도 쉽게 응용될 수 있다.
한정우 교수는 “엑솔루션은 현재 가장 주목받는 고성능 나노촉매 합성 방법의 하나다. 이번에 발견한 구동력과 응용 방법을 적용하면 다양한 분야에서 연료전지 전극과 촉매 개발이 이뤄질 것으로 기대한다”고 말했다.
삼성전자 삼성미래기술육성사업 일환으로 수행된 이번 연구성과는 최근 에너지 분야 국제학술지 '에너지와 환경 과학' 표지논문에 선정돼 온라인판에 게재됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
