기능성 촉매 성능 높일 금속나노 입자 제어 원리 규명

2019.04.23 16:31
김봉중(왼쪽) 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 교수와 정우철(가운데) KAIST 신소재공학부 교수 연구팀이 고온에서 서로 뭉쳐지지 않는 금속 나노촉매 입자의 생성원리를 세계 최초로 규명했다. 이번 연구결과로 연료전지와 가스센서에 쓰이는 기능성 촉매 소자의 내구성과 활성을 높일 것으로 기대를 모은다. 조용륜 GIST 박사과정생도 제1저자로 연구에 참여했다. GIST 제공
김봉중(왼쪽) 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 교수와 정우철(가운데) KAIST 신소재공학부 교수 연구팀이 고온에서 서로 뭉쳐지지 않는 금속 나노촉매 입자의 생성원리를 세계 최초로 규명했다. 이번 연구결과로 연료전지와 가스센서에 쓰이는 기능성 촉매 소자의 내구성과 활성을 높일 것으로 기대를 모은다. 조용륜 GIST 박사과정생도 제1저자로 연구에 참여했다. GIST 제공

연료전지와 가스센서에 쓰이는 기능성 촉매 소자의 내구성과 성능을 높일 금속 나노 입자의 크기와 밀도, 분포를 제어할 수 있는 원리가 밝혀졌다.


김봉중 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 교수와 정우철 KAIST 신소재공학부 교수 연구팀이 고온에서 서로 뭉쳐지지 않는 금속 나노촉매 입자의 생성 원리를 세계 최초로 규명했다고 23일 밝혔다. 


섭씨 700도에서 800도의 고온에서 서로 뭉치지 않고, 특정 산화물 기판이나 지지체에서 특정 금속성분이 분리되어 기판 표면으로 나오는 현상을 ‘용출’이라 부른다. 이 현상으로 촉매 입자가 지지체 표면에 박히게 되면서 고온에서도 결정이 굵어지는 ‘조대화’가 일어나지 않는다. 화학적 잠재에너지가 크지만 입자 크기가 작은 나노 촉매 입자에서 화학적 잠재 에너지가 작지만 입자 크기가 큰 원자로 이동하면서 촉매 입자의 크기와 밀도가 순간적으로 변하는 현상을 뜻한다. 이 현상을 통해 가스센서, 가스개질, 연료전지와 같은 용도에 맞게 입자를 알맞게 표면에 분포시킬 수 있다.


기존에는 용출된 후의 샘플 분석에 의존해 입자의 크기, 밀도, 분포를 제어할 수 있는 원리를 밝혀내지 못했다. 촉매의 활성과 내구성을 극대화하도록 입자를 퍼지게 하는 것이 불가능했다. 


연구팀은 투과전자현미경을 사용해 금속 나노촉매 입자 생성원리를 살펴봤다. 투과전자현미경은 고전압의 전자 빔을 쏘아 얇은 물질을 투과시켜 수십만 배 이상 확대해 관찰할 수 있다. 제 1저자로 연구에 참여한 조용륜 GIST 박사과정생은 “입자의 크기는 오직 온도에 의해 조절이 가능했고 금속과 산화물 기판의 경계에서 촉매의 반응이 일어났다”며 “생성원리를 파악해 입자의 분포를 제어할 수 있다는 것이 연구 의의”라고 말했다.


김 교수는 “이번 연구성과는 금속촉매의 용출 현상을 정량적으로 규명하고, 결정립을 용출 현상의 새로운 시스템으로 활용한 최초의 결과로써, 향후 전기자동차, 가스센서, 가스개질 등의 분야에 획기적인 개선을 가져올 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국화학회지’ 2일자 온라인판으로 발표됐다.

 

코볼트 입자 용출현상의 실시간 관찰 분석 및 CO 환원 반응 결과를 나타냈다. GIST 제공
코볼트 입자 용출현상의 실시간 관찰 분석 및 CO 환원 반응 결과를 나타냈다. GIST 제공

 

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