나노기술 및 정책 정보

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● 연세대학교 신소재공학과 박형호 교수 연구팀이 지구상에서 가장 가벼운 고체로 알려진 3차원의 에어로겔에 나노 기공구조를 적용하여 친환경 수소 생산의 핵심기술인 수전해에 사용되는 고성능 전기 촉매를 개발

● 수소 발생 촉매 중 유일하게 상용화된 전기 촉매인 백금/탄소(Pt/C)는 높은 촉매 특성을 나타내지만, 사용 시간의 증가에 따라 백금/탄소에 있는 탄소가 분해/산화되어 촉매 성능이 심각하게 저하되는 문제점을 보임.

● 이에 연구팀은 에어로겔 구조를 갖는 주석 산화물을 합성한 뒤, 불소 도핑을 통해 높은 전기전도도를 보유한 주석 산화물 에어로겔을 합성

● 연구팀이 개발한 에어로겔은 약 20g으로 축구장의 면적을 덮을 수 있을 만큼의 큰 비표면적을 갖는 소재로 나노 구조와 표면 활성을 극대화

● 개발한 에어로겔을 전기 촉매의 구조 지지체로 적용하고 백금 나노 클러스터를 복합화하여, 강한 분자간 힘을 바탕으로 전하의 이동을 극대화 한 결과, 기존 백금/탄소 촉매 대비 약 22배의 수소변환 효율과 5.4배의 내구성을 나타냄.

● 이는 기존 백금/탄소 촉매보다 5mV 작은 작동 전압을 가지며 이는 금속 산화물을 지지체로 사용한 전기 촉매 중 최고 수준

● 특히, 상용 백금 촉매의 사용량을 1/16로 줄여 저렴하면서도 높은 촉매 효율 및 내구성을 확보하였고 친환경 미래 에너지 도입과 탄소 저감 가능성을 기대

● 본 연구를 통하여 용액 공정에서 효과적으로 불소를 도핑할 수 있는 기술을 확보하였고, 촉매뿐만 아니라 큰 비표면적과 높은 전기전도도가 모두 필요한 센서, 디스플레이, 연료전지, 열전 분야에 전극 소재 등으로 적용이 가능할 것으로 전망

※ 용어설명

- 에어로겔(Aerogel): 나노입자가 서로 얽혀있는 구조로 전체 부피의 최대 99%가 공기로 이루어져 지구상에서 가장 가벼운 고체

- 수전해(water electrolysis): 물 분자(H2O)를 전기분해하여 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)를 생산하는 방법

- 열전 : 열에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 열에너지로 직접 변환할 수 있는 기술

※ ACS Nano 게재(2022.01.04.), “Highly Dispersed Pt Clusters on F-Doped Tin(IV) Oxide Aerogel Matrix: An Ultra-Robust Hybrid Catalyst for Enhanced Hydrogen Evolution”

※ 과학기술정보통신부, 한국연구재단(선도연구센터사업) 지원