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UNIST, 산소 환원 반응 효율 높인 연료전지 촉매 구조 발견

백종범 교수팀, 아연과 질소·탄소로 이뤄진 새로운 전이금속 촉매 합성
활성 자리 구조 위주 촉매 설계로 효율 획기적으로 높일 수 있을 것



[월간수소경제 여이레 기자] 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지에는 산소환원반응을 돕는 ‘촉매’가 가장 중요하다. 주로 백금(Pt) 촉매가 많이 쓰이지만 귀금속인 백금의 가격 때문에 촉매를 저렴한 다른 금속으로 대체하려는 연구가 많다. 이 가운데 UNIST 백종범 교수팀이 소량 원자단위의 값싼 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)를 결합하여 높은 효율과 안정성을 보이는 촉매를 개발해 눈길을 끌고 있다. ·

UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 중국 난징대(NUIST)의 부 윈페이(Yunfei Bu) 교수팀과 공동으로, 아연-질소-탄소로 이뤄진 새로운 촉매를 합성하고, 이 촉매에서 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성 자리를 찾는 데 성공했다. 기존 촉매 연구는 새롭게 합성한 촉매 내에서 최적화된 반응이 일어나는 구체적인 위치를 찾는 연구는 부족했는데 활성 자리를 중심으로 촉매를 설계, 합성하면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 전망이다.



이번 연구를 통해 백종범 교수팀은 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)로 이뤄진 새로운 전이금속 촉매(ZnNC)를 합성했다. 그런 다음 분광 분석 장비와 원자 내에 전자가 들어가는 있는 모양과 에너지를 계산하는 함수를 이용해 산소환원반응이 잘 일어나도록 도와주는 촉매 구조를 찾아냈다.

연구진이 사용한 분광 분석 장비는 ‘X-선 흡광 분석기(X-ray Absorption Fine Spectroscopy)’다. 이 장비는 X-선을 쪼였을 때 물질 내 전자가 X-선을 흡수하는 모양(spectrum)이 물질마다 다르다는 걸 이용한다. 분석 영역에 따라 두 가지로 구분되는데, 기존에는 원자 결합 종류만 파악할 수 있는 EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석법을 사용했다. 

이번에는 EXAFS 분석 외에도 XANES(X-ray Absorption Near Edge Structure) 분석법을 추가로 활용해 원자의 종류뿐 아니라 원자의 결합구조도 밝혀냈다. 그 결과 최적화된 촉매 반응 자리가 아연(Zn) 원자 하나에 질소(N) 원자 두 개가 결합된 Zn-N₂구조임을 알아냈다. 또 이 구조의 촉매가 백금(Pt)와 비교해도 산소환원반응 속도가 더 우수하다는 것을 입증했다. 이 결과는 이론적인 계산 결과와도 일치한다.

연구팀의 이번 연구는 저명한 국제학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 6월 13일자로 게재됐다. 

백종범 교수는 “성능을 중시하는 기존 촉매 개발에서 벗어나 촉매의 활성 자리를 정확히 규명하는 데 초점을 맞춘 연구”라며 “활성 자리 구조를 위주로 촉매를 설계할 수 있기 때문에 촉매 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것”이라고 기대했다.

공동 제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공학부의 펑 리(Feng Li) 박사는 “아연 원자 한 개에 질소 원자 두 개가 결합한 Zn-N₂ 형태가 산소환원반응 촉매의 이상적인 활성 구조임을 밝혀냈다”며 “이번 연구에 쓰인 방식을 활용하면 다른 전이금속 촉매의 활성 구조를 찾는 데도 도움이 될 것”이라고 전했다. 



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