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울산과학기술원(UNIST), 저비용·고효율 연료전지 촉매구조 발견
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울산과학기술원(UNIST), 저비용·고효율 연료전지 촉매구조 발견
  • 김민철 기자
  • 승인 2019.06.23 20:00
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아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)를 결합해 높은 효율과 안정성을 보이는 연료전지 촉매가 개발됐다. 

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 중국 난징대(NUIST)의 부 윈페이(Yunfei Bu) 교수팀과 공동으로, 아연-질소-탄소로 이뤄진 새로운 촉매를 합성하고, 이 촉매에서 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성 자리를 찾는 데 성공, 연구결과를 국제학술지 네이처 13일자에 발표했다고 23일 밝혔다.

Transition Metal–Nitrogen–Carbon system 도식도 [출처=네이처]
Transition Metal–Nitrogen–Carbon system 도식도 [출처=네이처]

수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지에는 산소환원반응을 돕는 '촉매'가 가장 중요하다. 기존에는 값비싼 귀금속 촉매인 백금(Pt)이 쓰였는데 최근에는 이를 저렴한 다른 금속으로 대체하려는 시도가 많다. 

백종범 교수팀은 아연과 질소, 탄소로 이뤄진 새로운 전이금속 촉매(ZnNC)를 합성했다. 그런 다음 분광 분석 장비와 원자 내에 전자가 들어가는 있는 모양과 에너지를 계산하는 함수를 이용해 산소환원반응이 잘 일어나도록 도와주는 촉매 구조를 찾아냈다.

연구진이 사용한 분광 분석 장비는 'X-선 흡광 분석기'다. 이 장비는 X-선을 쪼였을 때 물질 내 전자가 X-선을 흡수하는 모양이 물질마다 다르다는 것을 이용한다. 

기존에는 원자 결합 종류만 파악할 수 있는 EXAFS EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석법을 사용했지만 이번에는 XANES XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) 분석법을 추가로 활용해 원자의 종류뿐 아니라 원자의 결합구조도 밝혀냈고, 그 결과 최적화된 촉매 반응 자리가 아연(Zn) 원자 하나에 질소(N) 원자 두 개가 결합된 Zn-N₂구조임을 알아냈다. 또 이 구조의 촉매가 백금(Pt)와 비교해도 산소환원반응 속도가 더 우수하다는 것을 실험을 통해 입증했다. 

백종범 교수는 "성능을 중시하는 기존 촉매 개발에서 벗어나 촉매의 활성 자리를 정확히 규명하는 데 초점을 맞춘 연구"라며 "활성 자리 구조를 위주로 촉매를 설계할 수 있기 때문에 촉매 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것"이라고 기대했다.

케미컬뉴스 김민철 기자


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