[한국기술뉴스] 전남대학교 신소재공학과 송선주 교수 연구팀과 카이스트 신소재공학과 정우철 교수 연구팀이 다년간의 공동연구를 통해 가습 산화분위기에서 엑솔루션 반응 제어를 통한 금속촉매 용출 공정을 세계 최초로 개발하였다.

나노입자 금속촉매는 전기화학 전극 반응을 향상시키는 주요 인자로 인식되어, 삼상경계면의 확장을 위해 전극 표면에 균일 분포하기 위한 노력이 전 세계적으로 꾸준히 진행되고 있다. 공동연구팀은 고온 용출반응에 반드시 요구되던 환원분위기와 양이온 격자결함 없이 수증기와 전자결합만으로 다종이온전도성 전극소재에서 수증기가 전자결함을 포식하는 반응을 통해 나노입자 금속촉매의 표면 분포를 정량적으로 제어하는데 성공하였다. 기존 연구들이 외인성 결함 등을 인위적으로 생성시켜 용출반응을 위한 우호적인 구조제어 연구에 초점을 맞추고 있는데 반해, 공동 연구팀에서는 소재의 고유한 내인성 결함특성을 바탕으로 조성과 구조 변화없이 균일 금속촉매 용출반응을 제시하여 기존연구의 한계점을 넘어선 획기적 연구로 평가되었다.

이 연구결과는 복잡하고 어려운 기술적 난제일수록 소재의 기초물성 이해를 기반으로 하는 기초과학에서 해답을 얻을 수 있다는 사실을 재확인시켜줬다. 특히, 카이스트 김준혁 박사는 엑솔루션 반응제어를 열역학적 변수의 함수로 최적화시켰고, 용출반응을 위해 격자결함이 가해지는 내부 힘을 제어하는데 성공하였다. 전남대 홍재운 박사는 최적공정을 적용하여 프로톤 전도성 고체전해질 기반 고체산화물연료전지의 성능을 평가하고 전극 반응에서의 금속 용출상의 역할을 설명해 내어 삼상 계면에서의 촉매 반응 메커니즘을 이해하는 연구를 수행하였다.

공동 연구진의 가습산화성 엑솔루션 기술은 화학적 안정성이 제한된 전기화학소재에서도 나노촉매 표면 형성기술에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 나노입자 촉매가 활용되는 분야에도 용이하게 활용할 될 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구결과는 재료·화학 분야의 세계적 권위지인 영국 왕립학회 ‘Energy & Environmental Science’(영향력지수 38.53, JCR 상위 0.37%) 온라인 판에 게재되었다. 

이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업(ERC)의 지원으로 진행되었다.