[한국기술뉴스] 숙명여자대학 화공생명공학부 류원희 교수 연구팀이 고전도성 산소결핍 텅스텐 산화물을 활용하여 금속 촉매를 높은 수율로 적재시키는 고성능 및 고안정 촉매지지체 기술을 개발했다. 고전도성 금속산화물 촉매지지체를 활용하여 성능과 안정성, 경제성 모두 뛰어난 촉매 합성 기술이 개발되어, 차세대 촉매 개발 기술의 새로운 연구 방향이 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(우수신진연구)과 원천기술개발사업(소재융합혁신기술개발사업)의 지원을 받았으며 연구 결과는 국제전문학술지인 스몰(Small, IF=13.281)에 지난 11월 25일 표지논문으로 게재됐다.

수소에너지는 연료 전지 반응과 수전해 반응을 기반으로 에너지를 생산해내며, 친환경적이면서 많은 에너지를 생산하여 차세대 대체 에너지로 주목받고 있다. 연료 전지 반응과 수전해 반응 모두 산소를 기반한 다전자 반응으로 반응 속도가 매우 느려서 상용화를 위해서는 촉매의 도입이 필수적이다.

그러나 현재까지 가장 뛰어난 성능을 보이는 소재는 귀금속인 백금 소재로 가격경쟁력 확보가 어렵다는 한계점이 있다. 이를 보완하고자 탄소지지체를 도입하여 백금을 미량 도포하는 기술을 연구하였으나 장시간 구동 시 탄소 부식으로 인한 내구성 저하가 발생한다는 문제점이 있었다.

류 교수 연구팀은 고전도성 산소결핍 텅스텐 산화물 나노섬유를 촉매지지체로 적용하여 장수명 및 고성능화에 성공하였다. 전기방사법을 통하여 기존의 금속산화물보다 비표면적을 극대화한 후 환원 열처리를 통하여 산소 공백을 만듦으로 전기 전도성을 향상해 촉매의 성능을 높였다. 기능성 환원 처리 후 밴드갭이 확연하게 줄어 고전도성을 띠기에 흰색의 텅스텐 산화물의 색은 검은색으로 바뀌게 된다.

또한 촉매지지체인 고전도성 산소결핍 텅스텐 산화물 지지체를 도입할 경우 동일 백금 전구체 투입 대비 높은 수율로 작고 고르게 지지체 표면에 분포됨을 밝혀냈다. 고가의 백금촉매 사용을 최소화하면서 작고 고르게 분포시키는 기술은 고성능 촉매 개발뿐 아니라 가격경쟁력 확보에 중요한 기술로서 차세대 에너지 분야에 널리 활용될 수 있다.

류 교수는 “고가의 백금촉매를 최소화하여 경제적이면서도 고성능과 안정성을 갖춘 전기화학 촉매지지체 기술을 개발했다”며, “수소연료전지뿐만 아니라 차세대 이차전지인 금속공기전지에도 활용될 수 있다”고 연구 의의를 설명했다.

본 연구의 1저자로 참여한 화공생명공학과 김가윤 석사과정 학생은 “본 연구는 가격경쟁력과 높은 성능을 모두 갖춘 촉매를 간단하게 합성해낼 수 있는 획기적인 촉매지지체 기술을 소개한다”며 “수행한 연구가 좋은 결실을 얻어 영광스럽게 생각하며 그동안 많은 도움을 주신 교수님, 박사님들께 진심으로 감사드린다”고 말했다.