한국과학기술원(KAIST) 연구진이 대면적의 빛을 활용하고 대기 중 환경에서 0.02초 이내에 연료전지 등 차세대 에너지 저장·발전에 광범위하게 적용되는 고엔트로피 나노입자 촉매 및 단일원자 촉매 합성에 성공했다.

6일 KAIST는 전기및전자공학부 최성율 교수팀과 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 강한 빛을 다양한 탄소 기반 소재에 쬐어 이같이 우수한 촉매 성능을 구현했다고 밝혔다.

연구팀은 지난해 4월 제논 램프 빛을 쬐어 금속산화물의 상(phase)변화와 표면에 촉매 입자가 생성될 수 있음을 최초로 밝혔고 그 후속으로 소재의 광열효과를 유도하는 합성법에 대한 연구를 진행, 초고온(1천800∼3천℃)과 빠른 승·하온 속도(105℃/초)를 통해 기존 합성법으로는 구현할 수 없는 촉매 입자를 합성하는 데 성공했다고 설명했다.

탄소 나노섬유, 그래핀 산화물, 맥신(Mxene) 등 광열효과가 뛰어난 소재에 다종 금속염을 고르게 섞어주고 빛을 가하면 초고온과 매우 빠른 승·하온 속도를 기반으로 최대 9성분계의 합금 촉매를 합성할 수 있다는 것을 밝혔다.

합금 촉매는 연료전지, 리튬-황전지, 공기 전지, 물 분해 수소 생산 등 저장 및 발전에 광범위하게 적용되며, 비싼 백금의 사용량을 획기적으로 줄이는 데 유리하다.

연구팀은 광열효과를 통해 단일원자 촉매 신규 합성법에도 성공했다. 그래핀 산화물에 멜라민 및 금속염을 동시에 혼합해 빛을 쬐면 단일원자 촉매가 결합한 질소 도핑 그래핀을 합성할 수 있다는 것을 최초로 밝혀냈다.

백금, 코발트, 니켈 등의 다양한 단일원자 촉매가 고밀도로 결착돼 다양한 촉매 응용 분야에 활용할 수 있다.

KAIST 최성율 교수와 김일두 교수는 "강한 빛을 소재에 짧게 조사하는 간편한 합성기법을 통해 단일 원소 촉매부터 다성분계 금속 나노입자 촉매의 초고속, 대면적 합성을 가능하게 하는 새로운 촉매 합성 공정 플랫폼"이라며 "촉매 제조 공정 비용을 획기적으로 줄일 것으로 기대한다ˮ고 말했다.

이번 연구 결과는 나노 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스' 지난달 호 속표지 논문으로 선정됐고, '에이씨에스 나노'(ACS Nano) 이달 호에 속표지 논문으로 출간될 예정이다.

<연합>

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