GIST·KAIST 공동 연구팀, 금속 나노 촉매 입자 생성 윈리 규명

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국내 연구진이 금속 나노 촉매 입자 크기와 밀도, 분포 등의 생성 원리를 규명했다. 연료전지와 가스센서 등의 안정성과 성능을 향상시키는 데 기여할 것으로 예상된다.

광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 김봉중 신소재공학부 교수가 정우철 KAIST 신소재공학부 교수팀과 공동으로 산화물 기판에서 섭씨 700~800도의 고온 환원 형성 과정에서 특정 금속 성분이 분리되는 금속 나노 촉매 입자의 생성원리를 투과전자현미경으로 실시간 관찰했다고 23일 밝혔다.

연구팀은 금속 나노물질 촉매의 특성을 결정짓는 입자의 크기와 밀도, 분포 등을 온도와 결정 크기 및 분포를 조절해 제어했다.

금속 촉매 입자는 지지체 표면에 박혀 있어 고온에서도 입자 크기와 밀도가 순간적으로 변하는 조대화 현상이 일어나지 않는다. 비록 고온 촉매 반응이나 연료전지에서는 매우 중요하게 여겨져 왔지만 주로 샘플 분석에 의존해 입자의 생성원리를 이해하지 못했다. 특히 촉매 활성과 내구성을 극대화 하는 연구가 불가능했다.

김 교수팀은 원자해상도와 빠른 이미징 획득이 가능한 실시간 투과전자현미경으로 다결정 기판에서 코볼트(Co) 금속 원소의 용출현상을 관찰하고, 모델링해 입자 크기가 오직 온도에 의해 조절할 수 있다는 사실을 규명했다.

또 금속 입자의 용출온도를 섭씨 500도까지 낮춰 결정립의 크기와 분포를 조절, 입자의 밀도와 분포를 최적화했다. 이를 통해 입자 성장의 반응 제어와 코볼트 공공 생성 및 용출 엔탈피, 입자 성장을 위한 활성화 에너지를 정량화했다. 일산화탄소(CO) 환원반응 실험으로 산화물 기판에 형성된 촉매의 반응사이트가 금속과 산화물 기판의 경계라는 사실도 입증했다.

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

김봉중 GIST 신소재공학부 교수.
<김봉중 GIST 신소재공학부 교수.>
정우철 KAIST 신소재공학부 교수.
<정우철 KAIST 신소재공학부 교수.>

광주=김한식기자 hskim@etnews.com