포스텍(POSTECH·김무환)은 한정우 화학공학과 교수연구팀이 외부 요인에 따라 촉매의 표면 구조와 전자구조를 자유롭게 변형하는 촉매 개발 방법을 제안했다고 19일 밝혔다. 수소생산, 연료전지와 같은 친환경 에너지원의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
전기화학촉매는 연료전지, 수전해반응, 금속-공기전지 등과 같은 미래의 친환경 에너지 변환이나 저장 기술에 활용되는 핵심 요소이다. 화학 반응물들과 촉매 표면에서 반응해 이를 분해·합성함으로써 유용한 합성가스와 전기를 생성하는 역할을 한다.
하지만 촉매 표면이 반응물과 너무 강하게 결합하게 되면 반응이 일어나기보다는 촉매 표면에 고정돼 반응이 일어나지 않고, 활성점을 계속 차지하게 되어 반응을 일으킬 수 있는 공간이 감소하게 되어 촉매의 활성이 낮아지게 된다. 반면 촉매 표면이 반응물과 너무 약하게 상호작용하면 반응을 촉진하는 촉매의 본연의 역할을 하지 못하게 된다. 따라서 촉매 표면과 반응물 사이에 적절한 상호작용을 조절하는 것이 전기화학촉매 개발에 있어 가장 중요한 요소이다.
연구팀은 촉매 표면과 반응물 사이의 상호작용이 소재를 이루는 원자들의 격자 변형에 따라 달라지는 것을 확인하고, 격자 변형을 조절하는 촉매 개발법을 제시했다.
이론과 실험적 기법으로부터 소재를 이루는 원자들의 격자 변형에 따라 촉매 표면과 반응물 사이 상호작용이 이루어짐을 확인했다. 또 소재 내부 격자의 변형이 다양한 외부 요인에 따라 달라지는 것도 밝혔다. 소재의 격자를 변형함으로써 촉매의 전자구조를 조절할 수 있다는 사실을 확인한 것이다. 이는 산소 환원 반응, 산소 발생 반응, 수소 발생 반응 등의 상호작용을 촉진하는 것으로 나타났다.
한정우 교수는 “이번에 제안된 촉매들은 외부 요인에 따라 내부 격자를 변형함으로써 전자구조를 제어할 수 있어 수소생산, 연료전지와 같은 친환경 에너지원의 상용화에 밑거름이 될 수 있다”고 말했다.
한국연구재단의 미래소재디스커버리사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 나노 및 소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 에너지 환경 분야 저명 학술지 '에너지 및 환경과학회지'에 이달의 표지논문으로 소개됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
