나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 과정(過程) 연구소 리앙한푸(梁漢璞) 연구원이 주도하는 ‘에너지 소재 및 나노 촉매 연구팀’은 저렴하고 간단하며 환경 친화적인 동시에 대량 생산에 적합한 단일 철 원자 촉매(single iron atoms catalyst) 개발에 성공함.

연구팀은 풍부한 철과 초강(超强) 흡수성 특성을 보유하고 있는 재생 가능한 생물질인 목이버섯을 탄소, 질소와 철 소스로 사용하고 기타 Fe 염(鹽) 추가가 필요 없이 자체 모세 혈관 흡착 기능을 이용하여 질소를 함유한 용액을 흡착하도록 함으로써 효과적으로 질소 함유량을 높이고 Fe-N4를 활성 중심으로 한 효율적인 단일 철 원자 촉매(Fe-ISA/NC)를 개발하였음.

연구팀이 이번 연구를 통해 개발한 촉매의 탄소 기체(基體)는 풍부한 마이크로, 메조포러스(Mesoporous)를 함유하고 있으며, 비표 면적은 1,100 m2 g-1 이상 수준에 달하여 많은 인공합성 다공성 탄소 기체(基體) 수준을 초월하는 것으로 나타났음. 그 중 질소 함유량은 3 at.%를 초월하는 동시에 피롤 질소(Pyrrole nitrogen)를 위주로 구성이 되어 있기 때문에 풍부한 Fe-N4 활성 중심을 형성하여 우수한 ORR 촉매 성능을 발휘하는 것으로 나타났음.

0.1 M KOH 전해질 속에서의 ORR 반파 전위(Half wave potential)는 0.89V에 도달하여(가역 수소 전극 대비, vs. RHE) 상용화 귀금속 Pt/C 촉매보다 더욱 우수한 성능을 보유한 것으로 나타난 동시에 동 촉매는 0.1 M HClO4 전해질 속에서의 ORR 반파 전위도 0.78 V vs. RHE 수준에 달하여 대부분의 전이 금속 촉매 성능을 초월하는 것으로 나타났음.

연구팀이 이번 연구를 통해 획득한 연구개발 성과는 단일 철 원자 촉매 재료의 촉매 성능을 향상시키고, 제조 원가를 감소시켜서 실제 응용하는데 중요한 역할을 하게 될 것으로 전망됨.

연구팀이 이번 연구를 통해 개발한 단일 철 원자 촉매는 재생 가능한 생물질을 소스로 사용하기 때문에 그 어떤 금속을 첨가하지 않는 상황에서 직접 효율적인 비(非) 귀금속 단일 원자 촉매를 개발할 수 있는 가능성을 제공하여 그 의미가 주목되고 있음.

본 연구 성과는 ‘Carbon’ ("In situ synthesis of sustainable highly efficient single iron atoms anchored on nitrogen doped carbon derived from renewable biomass")지에 게재됨.