“산소 환원 반응 효율 높인 연료전지 촉매 개발”

머니투데이

류준영 기자

수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지는 산소환원반응을 돕는 촉매가 가장 중요하다. 지금은 값비싼 귀금속 촉매인 백금(Pt)을 사용하고 있지만, 이를 저렴한 다른 금속으로 대체하려는 시도가 이어지고 있다. 이런 가운데 소량의 원자단위로 값싼 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)를 결합, 높은 효율과 안정성을 갖는 촉매가 개발됐다.

가능한 전이금속 원자(분홍색)와 탄소(노란색), 질소(파랑색)와의 결합구조 모식도. 본 연구팀의 ZnCN은 아연(Zn) 원자 하나와 질소(N) 원자 두 개가 결합한 구조를 가지며 이상적인 산소환원반응 활성자리임을 보인다/사진=UNIST

울산과학기술원(UNIST) 에너지및화학공학부 백종범 교수, 중국 난징대 부 윈페이 교수로 이뤄진 국제공동연구팀은 아연과 질소, 탄소로 새로운 촉매를 합성하고, 이 촉매에서 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성 자리를 찾는 데 성공했다고 23일 밝혔다. 연구진은 활성 자리를 중심으로 촉매를 설계·합성하면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 전망했다.

기존 촉매 연구는 값비싼 백금을 대체하는 고효율 전이금속 촉매를 합성하는 데 중심을 뒀다. 백금 대신 다른 물질을 이용해 고효율을 얻을 수 있는지 살피는 것이다. 그러나 새롭게 합성한 촉매 내에서 최적화된 반응이 일어나는 구체적인 위치를 찾는 연구는 부족했다.

연구팀은 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 모양(스펙트럼)이 물질마다 다르다는 걸 이용한다.

분석 영역에 따라 두 가지로 구분되는데, 기존에는 원자 결합 종류만 파악할 수 있는 EXAFS((Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석법을 사용했다. EXAFS는 물질에 X-선을 가하면 물질을 구성하는 원자 내에 갇힌 전자가 X-선을 흡수하고 다른 에너지 상태로 전이면서 발생하는 전자파를 측정하는 것이다.

이번에는 EXAFS 분석 외에도 XANES(X-ray Absorption Near Edge Structure) 분석법을 추가, 원자의 종류뿐 아니라 결합구조도 밝혀냈다. XANES는 물질에 X-선을 가할 때, 물질을 구성하는 원자 내에 갇힌 전자가 X-선을 흡수하고 다른 에너지 상태로 전이면서 발생하는 전자파를 측정하는 것이다.

연구진에 따르면 최적화된 촉매 반응 자리가 아연 원자 하나에 질소 원자 두 개가 결합된 Zn-N₂구조임을 알아냈다. 또 이 구조의 촉매가 백금과 비교해도 산소환원반응 속도가 더 우수하다는 걸 실험을 통해 입증했다. 이 실험 결과는 이론적인 계산 결과와도 일치했다.

백 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.

공동 제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공학부의 펑 리(Feng Li) 박사는 “아연 원자 한 개에 질소 원자 두 개가 결합한 Zn-N₂형태가 산소환원반응 촉매의 이상적인 활성 구조임을 밝혀냈다”며 “이번 연구에 쓰인 방식을 활용하면 다른 전이금속 촉매의 활성 구조를 찾는 데도 도움이 될 것”이라고 전했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션’에 게재됐다.