화공 한정우 교수팀, 외부 요인에 따라 내부 격자 모양 변형하는 촉매 설계법 개발

2021-07-19 215

[촉매 표면과 반응물의 상호 작용 조절]

전기화학촉매는 연료전지, 수전해반응, 금속-공기전지 등과 같은 미래의 친환경 에너지 변환이나 저장 기술에 활용되는 핵심 요소이다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 외부 요인에 따라 촉매의 표면 구조와 전자구조를 자유롭게 변형하는 촉매 개발 방향을 제안했다.

화학공학과 한정우 교수 연구팀은 촉매 표면과 반응물 사이의 상호작용이 소재를 이루는 원자들의 격자 변형에 따라 달라지는 것을 확인하고, 격자 변형을 조절하는 촉매 개발법을 제시했다. 이 연구의 성과는 에너지 환경 분야 저명 학술지 ‘에너지 및 환경과학회지(Energy & Environmental Science)’에 이달의 표지논문(Inside Front Cover)으로 소개됐다.

전기화학촉매는 화학 반응물들과 촉매 표면에서 반응하여 이를 분해·합성함으로써 유용한 합성가스 생성 또는 전기를 생성하는 역할을 한다. 하지만 촉매 표면이 반응물과 너무 강하게 결합하게 되면 반응이 일어나기보다는 촉매 표면에 고정되어 반응이 일어나지 않고, 활성점을 계속 차지하게 되어 반응을 일으킬 수 있는 공간이 감소하게 되어 촉매의 활성이 낮아지게 된다. 반면에, 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.

지금까지의 연구에서는 촉매의 구조적 변화, 결함, 환경의 변화와 같은 외부적 요인에 집중하여 촉매 개발이 이뤄졌기 때문에 촉매의 내부적인 특성을 알아내는 데는 어려움이 있었다.

연구팀은 이론과 실험적 기법으로부터 소재를 이루는 원자들의 격자 변형에 따라 촉매 표면과 반응물 사이의 상호작용이 이루어짐을 확인했다. 또한, 소재 내부 격자의 변형이 다양한 외부 요인에 따라 달라지는 것을 밝혔다.

연구팀은 소재의 격자를 변형함으로써 촉매의 전자구조를 조절할 수 있다는 사실을 확인했다. 이는 산소 환원 반응, 산소 발생 반응, 수소 발생 반응 등의 상호작용을 촉진하는 것으로 나타났다.

연구를 주도한 한정우 교수는 “촉매적 활성이 전자구조에 따라 이뤄지기 때문에 전자구조의 최적화는 결국 전기화학촉매의 가장 중요한 요소이다”며, “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.

한편, 한국연구재단의 미래소재디스커버리사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 나노 및 소재기술개발사업의 지원으로 수행됐다.