새로운 합성 메커니즘 규명을 통해 고효율·저비용 청정에너지 기술 실현 가능성 제시

국내 연구진이 순간 열처리 합성법을 이용해 기존의 귀금속을 대체할 수 있는 값싼 촉매를 개발해 주목받고 있다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 유성종 박사(한국과학기술연구원) 연구팀이 연료전지와 금속-공기 전지에서 탁월한 성능을 보이는 철(Fe) 기반의 단일원자 촉매를 개발했다고 밝혔다.

연료전지와 금속-공기 전지 기술은 지속가능한 청정에너지로의 전환을 위해 중요하지만, 비싼 백금 촉매를 사용해 전기화학적 산소 환원 반응을 촉진한다는 점에서 대규모 상용화는 어렵다는 한계가 있었다.

백금을 대체할 수 있는 저렴하면서도 자원이 풍부한 비귀금속 촉매 개발이 필요한 상황으로, 특히 철-질소-탄소(Fe-N-C) 기반 촉매는 경제성과 효율성 측면에서 대안으로 여겨지고 있다.

그러나 철에 기반한 단일원자 촉매의 합성은 기술적으로 어렵고 기존의 열처리 방법으로는 철의 응집 문제로 이상적인 구조를 유지하기 어렵다는 점에서 효과적인 철 단일원자 촉매를 합성할 수 있는 혁신적인 방법이 필요한 상황이다.

연구팀은 철 프탈로시아닌(FePc)과 그래핀 산화물(GO)을 사용하여 기존의 합성법보다 훨씬 간단하고 짧은 시간 안에 철 기반 단원자 촉매를 합성하는 혁신적인 방법을 개발했다.

이번 연구의 핵심은 순간 열처리라는 새로운 합성법을 도입했다는 데 있다. 긴 시간이 소요되고 후공정이 필요한 기존의 열처리 방법과는 달리 순간 열처리 합성법은 단 150초 만에 열처리 과정을 완료할 수 있으며, 후공정이 필요 없다는 점에서 친환경적이다.

연구팀은 순간 열처리를 통해 철 프탈로시아닌(FePc)과 그래핀 산화물(GO)이 완벽하게 결합 되도록 했으며, 이를 통해 높은 밀도의 활성 사이트와 뛰어난 산소 환원 반응 활성 및 안정성을 가진 촉매 합성에 성공했다.

실험 결과 이 촉매는 실제 전기화학 장치(아연-공기 전지와 음이온 교환막 연료전지)에서 탁월한 성능을 입증했다.

이번 연구결과를 통해 철 단일원자 촉매 합성 메커니즘을 규명함으로써 다양한 전이금속 기반 촉매 개발에 중요한 지침을 제공할 수 있게 됐다.

유성종 박사는 “순간 열처리 방법을 통해 촉매 합성의 효율성을 높이고, 생산 시간을 크게 단축함으로써 비용 절감이 가능해졌다”며 “연료전지와 금속-공기 전지의 성능을 크게 향상시키고 상용화를 촉진하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다.