DGIST-UNIST-성균관대 공동
기존보다 활성도 높인 촉매 개발
개미산 생산 속도 19배 높이고
반응 부산물 수소 생성 70%↓
CO2 자원화 핵심 기술 예고
기존보다 활성도 높인 촉매 개발
개미산 생산 속도 19배 높이고
반응 부산물 수소 생성 70%↓
CO2 자원화 핵심 기술 예고
대구경북과학기술원(DGIST)은 에너지공학전공 링에 슈테판 교수팀이 UNIST, 성균관대 연구진과 공동으로 촉매 입자에 머리카락 굵기 10만분의 1 수준보다 더 가는 초미세 균열을 내는 특수 기술을 이용해 고성능 주석 산화물 촉매를 개발했다고 1일 밝혔다.
DGIST에 따르면 공동 연구팀은 값싼 비귀금속 주석(Sn) 촉매를 고성능 개미산 생산 촉매로 탈바꿈시켰다. 개미산은 식품, 가죽 처리, 제약 산업에 널리 쓰이며 최근에는 연료전지 연료와 수소저장체로도 주목받는 물질이다.
개발된 촉매는 상용 주석 산화물 소재와 비교해 에너지 소모(과전압)가 적고 개미산의 생산 속도가 19배 이상 향상됐다. 반응 부산물(수소) 생성도 70% 줄었다. 기존 주석 촉매는 값은 싸지만 반응 속도가 느리고 반응 부산물 생성도 많은 문제가 있었다. 부산물이 많이 생길수록 전기 에너지가 원치 않는 반응에 낭비된다는 의미다.
주석 촉매 입자에 초미세 균열을 내기 위해서 양이온 주입 기술을 썼다. 주석 산화물 입자 내부에 리튬 양이온이 주입되면 가지런했던 원자 배열이 어긋나게 되고, 이 어긋난 원자배열들(입계결함)이 이동하면서 입자 내부에 약 1nm(나노미터) 이하의 초미세 균열이 만들어지는 원리다.
연구팀은 최적의 미세 균열 크기도 찾아냈다. 미세 균열의 크기가 6Å(옹스트롬, 원자 2~3개 크기) 수준일 때 개미산 생성 속도와 선택성이 향상되고 부산물 생성이 효과적으로 억제됐다.
정확한 이론적 원리도 규명했다. 핵심 중간 생성물이 촉매의 초미세 균열 내 한쪽 표면에 흡착될 때 맞은편 촉매 표면과 상호작용해 반응에 필요한 에너지가 줄어드는 원리다. 이 덕분에 개미산 생성은 극대화되고, 부산물인 수소 발생은 획기적으로 준다.
이번 연구는 성균관대학교 정형모 교수팀, UNIST 권영국 교수팀과 공동 수행했다. 연구 결과는 재료공학·전기화학 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈’(Advanced Functional Materials)에 온라인 공개됐으며, 표지논문으로 선정돼 정식 출판을 앞두고 있다.
강나리기자 nnal2@idaegu.co.kr
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