新개념 3차원 구조 나노 촉매, "수소차 출발한다"
新개념 3차원 구조 나노 촉매, "수소차 출발한다"
  • 함예솔
  • 승인 2020.10.16 03:15
  • 조회수 316
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

수소 연료전지용 '금속간화합물 나노 프레임(intermetallic nanoframe)' 촉매가 최초로 개발됐습니다. 안정성, 성능, 가격경쟁력 모두를 갖춘 이 촉매는 향후 수소 전기차의 대중화에 크게 기여할 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <Nano Letters>에 게재됐습니다.

금속간화합물 나노프레임 촉매의 투과전자현미경 사진. 출처: UNIST
금속간화합물 나노프레임 촉매의 투과전자현미경 사진. 출처: UNIST

3차원 구조 나노 촉매

금속간화합물 나노프레임 촉매의 합성 전략. 합성 과정 모식도(상)와 합성 단계별 대표 투과전자현미경 사진(좌하: 합금 나노프레임 촉매, 중하: 합금 나노프레임-실리카 복합체, 우하: 금속간화합물 나노프레임 촉매). 출처: UNIST
금속간화합물 나노프레임 촉매의 합성 전략. 합성 과정 모식도(상)와 합성 단계별 대표 투과전자현미경 사진(좌하: 합금 나노프레임 촉매, 중하: 합금 나노프레임-실리카 복합체, 우하: 금속간화합물 나노프레임 촉매). 출처: UNIST

UNIST 화학과 주상훈 교수 연구팀은 나노 미터 크기의 촉매 입자가 고온에서 뭉치는 것을 막는 기법을 이용해 '백금-구리 나노 프레임 촉매(O-PtCuNF/C)'를 개발했습니다. 이 촉매는 가운데가 뚫린 3차원 나노 프레임(뼈대 구조)를 갖고 있어 반응이 일어나는 표면적이 넓고 성능이 좋습니다. 또 백금과 구리 원자가 불규칙하게 섞여 있는 '합금(alloy) 촉매'가 아닌 '금속간화합물 촉매'라 안정성이 높습니다. 가격 경쟁력 측면에서도 값비싼 백금 함량이 적어 유리합니다. 

주상훈 교수. 출처: UNIST
주상훈 교수. 출처: UNIST

 

 

 

주상훈 교수는 "새롭게 개발한 촉매는 또렷한 다면체 나노 프레임 구조와 금속간화합물 상(phase)을 융합한 최초 사례"라며 "이번 연구에 이용된 합성법은 다양한 조성의 나노 촉매 합성에 적용될 수 있을 것"이라고 기대했습니다.

  • 상(phase)

물질은 크게 고체,액체, 기체상으로 나뉩니다. 이 중 특정 고체는 이를 구성하는 원자들의 배열 모양에 따라 서로 다른 상을 갖고 물리·화학적 성질이 달라집니다. 물질은 고온에서 가열하면 원자 배열이 바뀌면서 상이 변합니다. 

단순 합금 촉매 아닌 나노 프레임 구조 갖는 금속간화합물 촉매

 

수소 전기차의 '엔진'인 수소 연료전지가 작동하려면 효율적인 전극 촉매가 필수적입니다. 상용 촉매인 백금 촉매는 가격이 비싸고 내구성(안정성)이 떨어져 수소 전기차 대중화에 걸림돌이 되고 있습니다. 백금 사용량을 줄이고 촉매 성능을 개선하기 위해 백금과 다른 원소를 혼합한 합금촉매가 꾸준히 연구되는 이유입니다. 하지만 합금 촉매는 작동 중에 금속이 부식되거나 용해돼 내구성에 한계가 있습니다.

가속열화(劣化)시험 전후 촉매성능 비교 그래프(좌)와 가속열화시험 후 전해질에 용출된 금속 종의 함량 비교 그래프(우). 출처: UNIST
가속열화(劣化)시험 전후 촉매성능 비교 그래프(좌)와 가속열화시험 후 전해질에 용출된 금속 종의 함량 비교 그래프(우). 출처: UNIST

주상훈 교수팀이 개발한 촉매는 단순 합금 촉매가 아닌 나노 프레임 구조를 갖는 금속간화합물 촉매입니다. 나노 프레임 입자 표면에 실리카 보호층을 입혀 금속간화합물 촉매를 만들 때 입자끼리 뭉치는 문제를 해결했습니다. 금속간화합물 촉매는 같은 종류의 금속 원소가 '끼리끼리' 모여 있어 합금 촉매에 비해 촉매가 부식되거나 내부 금속원소가 용해는 되는 문제가 적습니다. 같은 종류의 원소들끼리 모여 있으면 동일한 금속 원소 간 상호작용이 커져 안정성이 높기 때문입니다. 

김호영 박사. 출처: UNIST
김호영 박사. 출처: UNIST

 

 

 

1저자인 UNIST 김호영 박사는 "금속간 화합물 촉매의 규칙적인 원자 배열을 만들려면 500℃이상의 고온에서 촉매를 가열해야 하는데, 이 때 나노 프레임 촉매 입자가 뭉치는 문제가 있었다"며 "백금 구리 촉매 입자 표면에 실리카 보호층을 코팅해 넓은 표면적을 갖는 금속간화합물 나노 프레임 촉매를 만들 수 있었다"고 설명했습니다. 

 

 

 

 

 

이 방법으로 개발된 금속간화합물 나노 프레임 촉매는 상용 백금촉매는 물론 단순 합금 나노프레임 촉매보다도 성능이 좋습니다. 뿐만 아니라 안정성 테스트(가속 안정성 테스트) 후에도 가장 우수한 성능을 보였습니다. 특히 안정성 테스트 중 용해되는 금속 종의 양이 가장 적었는데 이는 이 촉매의 뛰어난 화학적 안정성을 보여주는 대목입니다. 

 

한편, 이번 연구는 주상훈 교수 주도하에 UNIST 김호영 박사, 정후영 교수, 고려대학교 이광렬 교수, 권태현 연구원, 전민기 연구원, 한국과학기술원(KAIST) 김형준 교수, 하윤후 연구원, 한국기초과학지원연구원(KBSI) 백현석 박사의 참여로 이뤄졌습니다. 


##참고자료##

 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2020 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트