나노기술 및 정책 정보

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● 울산과학기술원(UNIST) 김건태 교수, 포항공과대학교 한정우 교수, 금오공과대학교 최시혁 교수 공동연구팀이 고체산화물 연료 전지의 핵심인 고성능 복합 용출 나노 촉매를 개발

● 촉매 입자 내부에서 표면으로 용출된 철 나노입자는 촉매 성능을 향상시키고, 촉매끼리 뭉치는 현상도 방지

● 연료전지는 수소나 탄화수소만으로 물과 전기를 만드는 친환경 발전장치로 그 중 고체산화물 연료전지는 생산이 까다로운 수소 대신 탄화수소를 바로 사용할 수 있지만, 연료전지의 성능은 탄화수소와 산소 간 화학반응을 촉진하는 촉매가 결정하기 때문에, 고성능 촉매 개발이 필수적임.

● 이에 연구팀은 고성능 철 용출 촉매를 만드는 최적의 원소와 원소 간의 비율을 계산 모델링을 통해 알아낸 끝에, 기존 용출 촉매와 비교해서 철 나노입자가 촉매 표면으로 더 작고 균일하게 올라올 수 있는 촉매를 개발

● 현재까지 용출이 가능한 촉매는 페로브스카이트 결정구조를 가지며, 이는 다시 망간(Mn) 금속계와 철(Fe) 금속계로 나뉘는데, 철 금속계 자체의 성능은 망간 금속계에 비하여 더 뛰어나지만 철 입자를 용출시키는 것이 어려웠던 상황

● 이를 해결하기 위해 일반 페로브스카트 이중층 산화물 촉매를 특수한 형태의 이중층 페로브스카이트(Ruddlesden-Popper)로 완벽히 상전이 시켜 철 금속을 많이 용출시킴.

● 개발된 촉매를 고체산화물 연료전지의 양쪽 전극으로 활용해 수소 연료를 주입했을 경우, 700°C에서 200시간 동안 약 0.5Wcm−2의 전력을 안정하게 생산하였고, 해당 촉매를 고체산화물 공전해 전지로 작동시켜 합성 가스를 생성하는 반응에 사용했을 때 시간당 30 ml/cm2의 수소와 약 650ml/cm2의 일산화탄소를 생성.

● 연구팀은 환원 분위기(산소가 부족한 환경)에서 페로브스카이트 산화물의 상전이에 영향을 주는 주요 요인을 최초로 발견해 고성능 촉매를 개발할 수 있었고, 해당 용출 촉매는 연료전지뿐만 아니라 합성 가스를 생산하는 전해전지 등에도 응용할 수 있을 것으로 기대

※ 용어설명

- 고체 산화물 전지(Solid oxide cell): 세라믹 계열을 전해질로 사용하여 수소와 공기만으로 전기를 생산하거나 물과 이산화탄소를 수소와 일산화탄소로 전기 분해하는 전기화학적 장치

- 용출(Exsolution): 환원 분위기에서 페로브스카이트 산화물의 전이 금속 양이온이 금속 형태로 표면에 올라오는 현상

- 상전이(Phase reconstruction): 특정한 환경에서 한 물질의 상(원자 배열 등)이 급격하게 변하는 현상으로 상전이 따라 같은 원소로 이뤄진 고체라도 자성, 전기전도도 등이 바뀌는 것이 가능

※ Nature Communications) 게재(2021.11.24.), “Unveiling the key factor for the phase reconstruction and exsolved metallic particle distribution in perovskites”

※ 산업통상자원부, 한국연구재단 지원