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안정한 단일 원자 백금 촉매 개발로 백금 사용량 획기적으로 경감
백금과 상호작용 강한 담지체 적용으로 백금 원자 응집 막아 안정성 개선 … 기존 백금의 10분의 1만 사용해도 같은 활성 보여
[441호] 2017년 11월 14일 (화) 오현창 기자 hyunchang@kaist.ac.kr

 생명화학공학과 이현주 교수와 서울시립대 화학공학과 한정우 교수 공동연구팀이 모든 원자가 반응에 참여할 수 있는 단일 원자 백금 촉매를 개발해 활성과 안정성을 동시에 높였다. 이번 연구는 지난 9월, 국제 재료 과학 학술지인 <어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)>에 게재되었다.

연료 전지, 최고 효율의 대체 에너지
기존 화력 발전에서는 연료를 태워 얻은 열에너지를 수증기의 운동 에너지로 바꾸고, 이 운동 에너지를 다시 발전기를 통해 전기 에너지로 전환한다. 하지만 연료 전지는 촉매 반응을 이용해 연료를 태우지 않고 산화시켜 바로 전기 에너지로 전환하기 때문에 에너지 효율이 40~60% 정도로 화력 발전보다 월등히 높다. 연료 전지는 연소 과정에서 발생하는 질소 산화물과 이산화탄소의 배출량도 줄일 수 있어 차세대 에너지로 주목받고 있으며 주요 기업들을 중심으로 수소 자동차 등의 개발도 활발히 진행 중이다. 이렇게 많은 장점에도 불구하고 연료 전지가 아직 상용화되지 못한 이유는 바로 연료 전지 반응의 핵심인 촉매로 비싼 백금을 사용하기 때문이다.

단일 원자 촉매로 백금 사용량 줄여
연료 전지의 반응물들은 백금 덩어리 속으로 침투할 수 없기 때문에 촉매 반응은 촉매 표면에서만 일어날 수 있다. 따라서 금속 덩어리의 크기가 작을수록 반응에 참여할 수 있는 표면 원자 비율은 높아지게 된다. 관련 연구가 거듭될수록 작아지던 백금 나노 입자는 이번 연구에서 원자를 하나씩 분리, 고정하는데 성공하면서 정점을 찍었다. 입자들은 표면적이 넓어질수록 표면 자유 에너지*(Surface Free Energy)가 높아지기 때문에 그 크기가 작을수록 서로 뭉치려는 경향이 강해진다. 하지만 이번 연구는 안티모니가 도핑된 주석 산화물을 담지체**로 사용하여 백금이 주석과 합금형태로 존재하게 함으로써 이 문제를 해결했다. 기존 연구에서는 담지체와 백금 사이의 상호작용이 강하지 않아 백금이 질량비 1%를 넘어서면 입자들이 뭉치기 시작했지만, 이번 연구에서는 강한 담지체-백금 상호작용이 백금 원자들끼리 뭉치려는 성향을 이겨내고 질량비 8%까지 안정한 화합물을 유지할 수 있었다. 백금의 질량비가 높아질수록 작은 부피의 촉매로도 높은 효율을 낼 수 있어 유리하다.

액상에서 반응시켜 단일 원자로 분리
금속을 원자 하나 단위로 분리하는 것은 물리적으로 불가능한 일이다. 이번 연구에서는 초기 액상 수정법(Incipient Wetness Impregnation)을 사용해 백금을 원자 단위로 담지체에 배열했다. 담지체와 이온 상태의 백금을 에탄올과 섞어서 넣어주면, 용액 상태의 백금이 담지체와 균일하게 섞이게 된다. 에탄올을 증발시킨 후, 수소를 넣어 고온에서 열처리를 거치면 백금 이온이 금속으로 환원되고 안정한 촉매-담지체 화합물이 완성된다. 용액 상태에서 혼합 반응이 일어나기 때문에 원자 단위의 분리가 가능하다

기존보다 높은 활성, 안정성 증명해
이번 연구에서 개발된 백금 단일원자 촉매는 포름산이 산화되는 반응에서 기존 촉매보다 50배 이상 높은 활성을 보였다. 포름산을 연료로 하는 연료 전지에 직접 적용했을 때는 기존 10분의 1의 백금만 사용하더라도 같은 출력을 얻을 수 있었다. 실험을 반복해도 활성은 높게 유지되어 촉매의 안정성도 증명했다.

제1 저자인 김지환 박사과정은 “단일 원자의 경우 안정성이 떨어져 실제 연료 전지에 적용한 경우는 거의 없었다”고 설명했다. 이어 “단일 원자 촉매의 기초적인 부분을 더 연구하고자 한다”고 밝혔다.

표면 자유 에너지*
물질의 표면적에 기인하는 자유 에너지로 면적이 넓을수록 증가한다.

담지체**
촉매와 혼합되어 촉매를 지지하는 물질로 촉매를 미립자상태로 유지한다.

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