[천지일보=강은영 기자] 서울시립대학교(총장 원윤희)와 울산과학기술원(울산과기원)의 공동연구팀이 재생 가능한 고성능 고체산화물 연료전지 전극 촉매를 개발했다.
28일 시립대에 따르면 화학공학과 한정우 교수와 김경학 박사과정 연구원은 울산과기원 김건태 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 전이금속이 도핑된 이중층 페로브스카이트에서 금속 나노입자가 표면에 형성되는 ‘엑솔루션’ 현상의 메커니즘을 이론적으로 규명하고, 이를 실험적으로 증명했다.
엑솔루션이란 산화·환원에 따른 금속산화물의 상변화를 통해 실시간으로 금속나노입자를 형성하는 환경 맞춤형 촉매 합성기법으로서 기존 합성과 증착기법에 비해 작고 균일한 금속입자를 단일 공정만으로 표면에 분산시킬 수 있는 장점이 있다.
연구팀은 고체산화물 연료전지의 음극에서 이미 세계 최고수준의 성능을 보여 온 이중층 페로브스카이트에 전이금속들을 도핑하고 이를 환원조건에 노출시킴으로써 표면에 잘 분산된 금속 나노입자를 형성시켜 음극의 성능을 더욱 향상시킬 수 있음을 보였다.
컴퓨터 시뮬레이션에 기반한 이론적 분석을 통해 도핑되는 전이금속의 종류에 따라 금속 나노입자가 형성되는 경향이 달라짐을 보인다. 산소공공과 금속이 동시에 표면으로 석출되는 메커니즘이 이러한 엑솔루션 현상을 잘 모사할 수 있음을 규명했다.
연구팀이 개발한 엑솔루션 현상을 활용한 촉매 제조법은 기존의 물리·화학적 증착 방법보다 공정이 간단하다는 장점이 있다.
장시간 촉매사용 이후에도 손쉽게 산화·환원 조건으로의 변화만으로 촉매의 재사용이 가능해 산업적으로 널리 응용될 것으로 기대된다.
한정우 교수는 “계산화학적 방법을 통한 시뮬레이션 연구는 실험적으로 밝혀내기 힘든 반응 메커니즘이나 구동인자를 원자 단위에서 분석함으로써 구체적인 접근이 가능하며, 본 연구결과는 이론·실험의 공동연구의 시너지 효과를 보여주는 좋은 사례가 될 것”이라고 평가했다.
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터에서 지원하는 미래기술육성사업의 일환으로 수행돼 세계적인 과학학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’지 최근호에 온라인으로 게재됐다.