- 새로운 합성 메커니즘 규명을 통해 고효율, 저비용 

- 청정에너지 기술 실현 가능성 제시 

▲(그림1) 순간 열처리를 이용한 철 단일원자 촉매 합성 메커니즘

FePc, DMF, 그리고 GO를 혼합하면 FePc의 Fe와 DMF의 O가 상호작용하여 FeN4-DMF를 형성한다. 열처리 초기에 DMF가 분해되며 FeN4-CO가 형성된다. FeN4-CO는 그래핀의 결함들과 강하게 상호작용하고 결합하여 FeN4/NGO의 합성을 완료하고, FeN4-O-NGO 구조를 형성한다. [그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원]

순간 열처리 합성법을 이용해 개발된 새로운 촉매로 친환경적이면서도 지속가능한 에너지를 실현할 수 있을지 주목된다. 

한국연구재단(이사장 이광복)은 유성종 박사(한국과학기술연구원) 연구팀이 연료전지와 금속-공기 배터리에서 탁월한 성능을 보이는 철(Fe) 기반의 단일원자 촉매를 개발했다고 밝혔다.

연료전지와 배터리 기술은 지속가능한 청정에너지로의 전환을 위해 중요하지만, 비싼 백금 촉매를 사용해 전기화학적 산소 환원 반응을 촉진한다는 점에서 대규모 상용화는 어렵다는 한계가 있었다. 

백금을 대체할 수 있는 저렴하면서도 자원이 풍부한 비귀금속 촉매 개발이 필요한 상황으로, 특히 철-질소-탄소(Fe-N-C) 기반 촉매는 경제성과 효율성 측면에서 대안으로 여겨지고 있다. 

그러나 철에 기반한 단일원자 촉매의 합성은 기술적으로 어렵고 기존의 열처리 방법으로는 철의 응집 문제로 이상적인 구조를 유지하기 어렵다는 점에서 효과적인 철 단일원자 촉매를 합성할 수 있는 혁신적인 방법이 필요한 상황이다. 

연구팀은 철 프탈로시아닌(FePc)과 그래핀 산화물(GO)을 사용하여 기존의 합성법보다 훨씬 간단하고 짧은 시간 안에 철 기반 단원자 촉매를 합성하는 혁신적인 방법을 개발했다. 

이번 연구의 핵심은 순간 열처리라는 새로운 합성법을 도입했다는 데 있다. 긴 시간이 소요되고 후공정이 필요한 기존의 열처리 방법과는 달리 순간 열처리 합성법은 단 150초 만에 열처리 과정을 완료할 수 있으며, 후공정이 필요 없다는 점에서 친환경적이다. 

연구팀은 순간 열처리를 통해 철 프탈로시아닌(FePc)과 그래핀 산화물(GO)이 완벽하게 결합 되도록 했으며, 이를 통해 높은 밀도의 활성 사이트와 뛰어난 산소 환원 반응 활성 및 안정성을 가진 촉매 합성에 성공했다. 

실험 결과 이 촉매는 실제 전기화학 장치(아연-공기 배터리와 음이온 교환막 연료전지)에서 탁월한 성능을 입증했다.

이번 연구결과를 통해 철 단일원자 촉매 합성 메커니즘을 규명함으로써 다양한 전이금속 기반 촉매 개발에 중요한 지침을 제공할 수 있게 됐다. 

 유성종 박사는 “순간 열처리 방법을 통해 촉매 합성의 효율성을 높이고, 생산 시간을 크게 단축함으로써 비용 절감이 가능해졌다”며 “연료전지와 배터리의 성능을 크게 향상시키고 상용화를 촉진하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료공학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 5월 14일 온라인 게재되었다.