격자 내 양이온과 산소의 결합 세기 조절로부터 엑솔루션 촉진을 통해 촉매성능이 향상된다. [포스텍 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 삼성전자가ﾠ삼성미래기술육성사업의ﾠ일환으로ﾠ지원한ﾠ엑솔루션ﾠ연구가ﾠ결실을 맺었다. 엑솔루션 기술은 산화, 환원에 따라 금속산화물의 상변화를 통해 실시간으로 금속 나노입자를 만드는 방법이다. 이 현상은 특별한 공정과정 없이 환원 분위기에서 자발적으로 고성능·고안정성의 나노촉매가 금속산화물 표면에 형성되기 때문에 친환경적인 미래 에너지기술로 주목받고 있다.

최근 신재생에너지, 휴대용 연료전지, 촉매 등에 사용되는 나노입자를 만들기 위해 엑솔루션 현상을 제어하는 방법이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.

포항공과대학교(POSTECH) 화학공학과 한정우 교수 연구팀은 한국과학기술원(KAIST) 정우철 교수팀, 광주과학기술원(GIST) 김봉중 교수팀과의 공동연구를 통해 페로브스카이트 구조에서 양이온과 산소의 결합 세기를 조절함으로써 페로브스카이트 물질 내에 존재하는 양이온의 엑솔루션 현상이 조절될 수 있음을 증명했다. 또 이를 바탕으로 나노입자의 형성을 제어할 수 있음을 규명했다. 이번 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)의 표지논문으로 선정, 온라인판에 최근 게재됐다.

그동안에는 나노입자를 진공증착 방식으로 만들었는데, 시간과 비용이 많이 들뿐더러 열에 불안전하다는 한계가 있었다. 그래서 페로브스카이트 격자에 고온과 환원 환경을 만들어, 금속 이온이 격자에서 빠져나와 표면에서 자라는 엑솔루션 방식이 연구됐다. 그동안 다양한 재료에서 그 응용 가능성이 제안됐지만, 원자단위의 구동인자가 보고된 바는 없어 이를 성공적으로 제어하는 데에 큰 어려움이 있었다.

연구팀은 낮은 온도에서 열적 안전성을 높게 유지하면서 나노입자를 빠르게 만들기 위해 양이온과 산소의 결합 세기를 조절했다. 특히, 큰 이온반지름을 가지는 원소를 치환함으로써 양이온과 산소의 결합길이를 제어했다. 이번에 개발된 방법으로 산화촉매에 적용했을 때 촉매적 활성을 기존 엑솔루션 촉매 대비 4배까지 증진시킬 수 있음을 확인했다.

엑솔루션을 통해 합성된 재료는 연료전지 음극전극으로 활용돼 전극의 내구성을 향상시켜 전지 수명 증가에도 도움을 줄 것으로 기대된다. 그 외에도 가스센서, 개질반응 및 다양한 금속산화물 기반 나노입자 촉매가 활용되는 화학촉매에도 쉽게 응용될 수 있다.

한정우 교수는 “엑솔루션은 현재 가장 주목받는 고성능 나노촉매 합성 방법의 하나”라며 “이 연구에서 발견한 구동력과 응용 방법을 적용한다면, 다양한 분야에서 연료전지 전극과 촉매의 개발이 이뤄질 것으로 기대한다”고 말했다.

nbgkoo@heraldcorp.com