UNIST-POSTECH연구진, 페로브스카이트 촉매의 용출·상전이 현상 규명

	▲ 촉매 활성이 변하는 과정에 관한 모식도. 울산과학기술원 제공.

	▲ UNIST 김건태 교수. 울산과학기술원 제공.

	▲ POSTECH 한정우 교수. 울산과학기술원 제공.

국내 연구진이 값싸고 안정성이 뛰어난 연료전지 촉매로 꼽히는 페로브스카이트 촉매의 용출과 상전이 현상을 최초로 규명하는데 성공했다.



울산과학기술원(UNIST)은 UNIST 김건태 교수·포항공과대학교(POSTECH) 한정우 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 연료전지에 들어가는 촉매 물질인 ‘PBMO’가 페로브스카이트 구조에서 층상구조로 변함과 동시에 나노입자가 표면으로 엑솔루션(용출)되는 구조를 밝히고, 전극 및 화학 촉매로서의 가능성을 확인했다고 3일 밝혔다.



연료전지의 촉매 중 하나인 PBMO는 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 그동안 어떤 과정을 통하여 고성능의 촉매가 형성되는지는 알려진 바가 없어 소재 설계에 어려움이 있었다.

연구진은 이 같은 특징에 주목해 양자역학 기반의 제일원리 계산과 실시간 소재의 결정구조 변화를 볼 수 있는 ‘in-situ XRD’(X-Ray Diffraction) 실험을 통해 이 과정이 ‘상 전이→입자 석출→촉매 형성’ 과정을 거치는 것을 확인했다.

또 이렇게 개발된 산화 촉매는 기존 촉매와 비교해 4배까지 성능이 좋아짐을 확인했다.



김건태 교수는 “이 물질은 연료 전지 뿐만 아니라 촉매 지지체와 나노 촉매가 필요한 오염물질 저감, 센서, 화학 촉매 분야에 쓸 수 있어 향후 다양한 분야에서 활발한 연구가 기대된다”고 전했다.

한정우 교수는 “시뮬레이션을 통해 기존 실험에서 확인하기 어려웠던 원자 단위에서 정밀하게 소재를 이해하고, 이를 성공적으로 실증함으로써 기존 연구의 한계를 뛰어넘을 수 있었던 좋은 사례”라고 설명했다.



삼성미래육성기술재단, 에너지기술평가원 지원을 받은 이번 연구는 에너지 과학분야 전문 학술지인 ‘에너지와 환경 과학’(Energy & Environmental Science) 뒷표지 논문으로 선정돼 최근 게재됐다.