광주과학기술원(GIST)은 김봉중 신소재공학부 교수팀이 산화물 기판에서 고농도로 도핑된 금속 촉매 입자를 기판의 구조적 결함을 유발하지 않고 모두 추출하고 기판에 부분적으로 박혀 견고하게 결착시키는 신개념 엑솔루션 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.
연구팀은 실시간 투과전자현미경 기법을 사용해 엑솔루션되는 금속 촉매 입자의 생성 원리와 크기, 밀도, 분포를 제어할 수 있는 원리도 규명했다.
산화물 지지체를 이용한 금속 촉매 입자의 엑솔루션 현상은 촉매 입자가 지지체 표면에 박혀 있게 돼 고온에서도 조대화(다결정재를 고온에서 가열함으로써 결정 입자가 커지는 현상)가 일어나지 않는다. 가스센서 등 고온 촉매 반응과 기스개질·연료전지 등 재생에너지 응용에서 매우 중요하게 여겨져 왔다.
엑솔루션 현상은 고체의 산화물 기판에 금속 원소를 도핑한 뒤 환원 환경에서 고온의 열처리를 통해 일어난다. 이러한 기존 방식은 고상 기판 내에서 금속 원소의 느린 확산 속도로 인해 극히 일부의 금속 원소만이 빠져나온다. 많은 양의 촉매 입자를 기판 위에 생성하기 어렵고, 빠져나온 금속 원소로 인해 산화물 기판의 구조적 결함을 유발하게 된다. 이러한 문제점으로 활용 소자의 활성과 내구성이 급격히 떨어져 촉매 기술의 한계로 지적돼 왔다.
연구팀 기존 방식이 아닌 코발트(Co) 원소가 다량 도핑된 스트론튬 티타네이트 졸젤 용액을 기판에 코팅해 진공에서 열처리했다. 실시간 투과전자현미경 기법을 이용해 온도를 증가시키며 관찰했을 때, 섭씨 700도를 기점으로 코팅된 박막은 비정질 고체에서 결정질 고체로의 상변화가 일어났다. 특히 비정질 상태에서 30%로 도핑된 코발트 원소 전량이 기판 위로 엑솔루션됐고 이후 고온에서 기판은 결정화됐다.
엑솔루션된 코발트 원소의 크기와 분포는 매우 작고 균일하며 기판에 부분적으로 박혀 있어서 물분해를 위한 광전기 화학 셀의 활성과 수명을 극대화할 수 있었다. 같은 조건의 고상 엑솔루션을 통한 셀 성능과 비교해 활성은 약 50% 증가했으며 24시간 동안 거의 동일한 활성을 유지했다. 반면 고상 엑솔루션을 통한 셀의 경우 약 8시간 이내에 활성이 완전히 소멸했다.
연구팀은 추가적으로 이러한 현상이 비정질 고체에서 코발트 원소의 공공 생성 에너지가 낮은 데서 기인한다는 것도 확인했다.
김봉중 교수는 “이번 연구 성과는 한계에 봉착한 촉매 엑솔루션 기술에 새로운 활로를 제시했다는 데 큰 의의가 있다”며 “향후 전기자동차, 가스센서, 가스개질 등의 분야에 획기적인 개선을 가져올 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 GIST-매사추세츠 공대(MIT) 국제공동연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 성과는 나노분야 권위지인 '스몰(Small)'의 인쇄판 표지 논문 '인사이드 백 커버(Inside Back Cover'로 선정됐다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
