포스텍·UNIST, 연료전지 촉매 'PBMO' 용출 메커니즘 밝혀

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국내 연구팀이 원자 단위에서 엑솔루션 현상과 상전이 현상을 최초로 규명했다. 고성능 촉매 개발에 한 걸음 다가선 성과로 평가받고 있다.

포스텍(총장 김무환)은 한정우 화학공학과 교수, 박사과정 김경학씨 연구팀이 UNIST(총장 이용훈) 김건태 교수 연구팀과 공동으로 연료전지에 들어가는 촉매 물질 'PBMO'가 페로브스카이트 구조에서 층상구조로 변함과 동시에 나노입자가 표면으로 엑솔루션(용출)되는 메커니즘을 밝히고, 전극 및 화학 촉매로서 가능성을 확인했다고 3일 밝혔다.

원자 단위에서 엑솔루션 현상과 상전이 현상을 최초로 규명한 연구팀.
<원자 단위에서 엑솔루션 현상과 상전이 현상을 최초로 규명한 연구팀.>

연료전지 촉매 중 하나인 'PBMO'는 수소가 아닌 탄화수소를 바로 써도 안정적으로 작동하는 물질로 알려져 있다. 특히, 산소를 잃는 환원 조건에서 층상구조로 변화됨에 따라 높은 이온전도도를 가진다. 이와 동시에 금속산화물 내부의 원소가 표면으로 나오는 엑솔루션 현상이 일어난다.

이 현상은 특별한 공정 과정 없이 주위 환원 조건에 의해 자발적으로 일어나는데, 물질 내부에 있던 원소가 표면으로 올라오면서 연료전지의 안정성과 성능이 크게 좋아진다. 하지만 어떤 과정을 통해 고성능 촉매가 형성되는지는 알려진 바가 없어 소재 설계에 어려움이 있었다.

촉매활성이 변하는 과정에 관한 모식도
<촉매활성이 변하는 과정에 관한 모식도>

연구팀은 양자역학 기반 제일원리 계산과 실시간 소재의 결정구조 변화를 볼 수 있는 실험을 통해 이 과정이 상전이와 입자 석출, 촉매 형성의 과정을 거침을 확인했다. 또 이렇게 개발된 산화 촉매는 기존 촉매와 비교해 4배까지 성능이 좋아짐을 확인했다.

한정우 교수는 “시뮬레이션을 통해 기존 실험에서 확인하기 어려웠던 원자 단위에서 정밀하게 소재를 이해하고, 이를 성공적으로 실증함으로써 기존 연구의 한계를 뛰어넘을 수 있었던 좋은 사례”라며 “지지체·나노촉매가 활용되는 배기가스 저감, 센서, 연료전지, 화학 촉매 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 삼성미래육성기술재단, 에너지기술평가원의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 '에너지와 환경 과학'의 뒷표지 논문(Outside back cover)에 선정, 최근 게재됐다.

에너지와 환경 과학의 뒷표지
<에너지와 환경 과학의 뒷표지>

포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com