국내 연구팀이 0.02초 만에 연료전지 등 차세대 에너지 저장·발전에 광범위하게 적용되는 고엔트로피 촉매·단일원자 촉매 합성을 세계 최초로 구현했다.

KAIST(카이스트)는 최성율 전기및전자공학부 교수·김일두 신소재공학과 교수 공동 연구팀이 강한 빛을 다양한 탄소 기반 소재에 조사, 0.02초 이내에 나노입자 촉매와 단일원자 촉매를 진공 시설이 없는 대기 조건에서 합성하고 우수한 촉매 성능을 구현하는데 성공했다고 6일 밝혔다.

연구팀은 지난해 4월 제논 램프 빛을 조사해 금속산화물의 상(相·phase) 변화와 표면에 촉매 입자가 생성될 수 있음을 최초로 밝혔고, 그 후속으로 소재의 광열효과를 유도하는 합성법에 대한 연구를 진행했다. 이에 1800~3000도의 초고온과 빠른 승·하온 속도를 통해 기존 합성법으로는 구현할 수 없는 촉매 입자를 합성하는 데 성공했다.

이 기술은 대면적의 빛을 활용하고 대기 중의 환경에서 매우 빠른 시간(0.02초 이내)에 고엔트로피 촉매·단일원자 촉매의 합성을 세계 최초로 구현한 기술이다. 광열효과가 뛰어난 소재(탄소 나노섬유·그래핀 산화물·맥신)에 다종 금속 염을 고르게 섞어주고 빛을 가하게 되면 초고온과 매우 빠른 승·하온 속도를 기반으로 최대 9성분계의 합금 촉매를 합성할 수 있음을 밝혔다. 합금 촉매는 연료전지, 리튬-황전지, 공기 전지, 물 분해 수소 생산 등의 저장·발전에 광범위하게 적용되며, 비싼 백금의 사용량을 획기적으로 줄이는 데 유리하다.

연구팀은 광열효과를 통해 단일원자 촉매의 신규 합성법에도 성공했다. 그래핀 산화물에 멜라민·금속염을 동시에 혼합하여 빛을 조사하게 되면 단일원자 촉매가 결합된 질소 도핑 그래핀을 합성할 수 있음을 최초로 밝혔다. 백금, 코발트, 니켈 등의 다양한 단일원자 촉매가 고밀도로 결착돼 다양한 촉매 응용 분야에 활용할 수 있다.

최 교수와 김 교수는 “강한 빛을 소재에 짧게 조사하는 간편한 합성기법을 통해 단일 원소 촉매부터 다성분계 금속 나노입자 촉매의 초고속·대면적 합성을 가능하게 하는 새로운 촉매 합성 공정 플랫폼이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

특히 “매우 빠른 승·하온 속도를 기반으로 기존에 합성하기 어려웠던 고엔트로피 다성분계 촉매 입자를 대기 중 조건에서 균일하게 합성해 고성능 물 분해 촉매로 응용했다는 점에서 매우 의미있는 연구 결과”라며 “응용 분야에 따라 촉매 원소의 크기와 조성을 자유롭게 조절해 제작할 수 있는 신개념 광 기반 복합 촉매 소재 합성 플랫폼을 구축했다”고 설명했다.

이번 연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 11월호 속표지 논문으로 선정됐고, ‘ACS 나노’ 12월호 속표지 논문으로 출간될 예정이다. 구본혁 기자