[테크월드=방제일 기자] UNIST 화학과 주상훈 교수 연구팀은 나노 미터 크기의 촉매 입자가 고온에서 뭉치는 것을 막는 기법을 이용해 ‘백금-구리 나노 프레임 촉매(O-PtCuNF/C)’ 를 개발했다. 이 촉매는 가운데가 뚫린 3차원 나노 프레임(뼈대 구조)를 갖고 있어 반응이 일어나는 표면적이 넓고 성능이 좋다. 또 백금과 구리 원자가 불규칙하게 섞여 있는 ‘합금(alloy) 촉매’가 아닌 ‘금속간화합물 촉매’라 안정성이 높다. 가격 경쟁력 측면에서도 값비싼 백금 함량이 적어 유리하다.

주상훈 교수는 “새롭게 개발한 촉매는 또렷한 다면체 나노 프레임 구조와 금속간화합물 상(phase)을 융합한 최초 사례”라며 “이번 연구에 이용된 합성법은 다양한 조성의 나노 촉매 합성에 적용될 수 있을 것”이라고 기대했다.
 
수소 전기차의 ‘엔진’인 수소 연료전지가 작동하려면 효율적인 전극 촉매가 필수적이다. 상용 촉매인 백금 촉매는 가격이 비싸고 내구성(안정성)이 떨어져 수소 전기차 대중화에 걸림돌이 되고 있다. 백금 사용량을 줄이고 촉매 성능을 개선하기 위해 백금과 다른 원소를 혼합한 합금촉매가 꾸준히 연구되는 이유다. 하지만 합금 촉매는 작동 중에 금속이 부식되거나 용해돼 내구성에 한계가 있다.

1저자인 UNIST 김호영 박사는 “금속간 화합물 촉매의 규칙적인 원자 배열을 만들려면 500℃이상의 고온에서 촉매를 가열해야 하는데, 이 때 나노 프레임 촉매 입자가 뭉치는 문제가 있었다”며 “백금 구리 촉매 입자 표면에 실리카 보호층을 코팅해 넓은 표면적을 갖는 금속간화합물 나노 프레임 촉매를 만들 수 있었다”고 설명했다.

이 방법으로 개발된 금속간화합물 나노 프레임 촉매는 상용 백금촉매는 물론 단순 합금 나노프레임 촉매보다도 성능이 좋다. 뿐만 아니라 안정성 테스트(가속 안정성 테스트) 후에도 가장 우수한 성능을 보였다. 특히 안정성 테스트 중 용해되는 금속 종의 양이 가장 적었는데 이는 이 촉매의 뛰어난 화학적 안정성을 보여주는 대목이다.

이번 연구는 주상훈 교수 주도하에 UNIST 김호영 박사, 정후영 교수, 고려대학교 이광렬 교수, 권태현 연구원, 전민기 연구원, 한국과학기술원(KAIST) 김형준 교수, 하윤후 연구원, 한국기초과학지원연구원(KBSI) 백현석 박사의 참여로 이뤄졌다. 연구결과는 나노재료 분야의 권위 있는 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 에 9월 22일자로 온라인 출판됐다.

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