나노기술 및 정책 정보

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­  환경보호의식이 강화되고 자연자원에 대한 인식이 깊어지면서 화학석유에너지 등 <?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /><?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />재생불가능한 자원에 대한 의존 정도를 낮추기 위한 저오염, 고효율 연료전지 연구가 주목을 받고 있다. 하지만 현재 사용되는 연료전지 촉매제는 가격이 높고 반응 활성이 낮을 뿐만 아니라, 안정성이 떨어지는 등의 단점으로 인해 연료전지의 산업 응용이 큰 제약을 받고 있다.

­ 중국과학기술대학 위수훙(兪書宏)교수 연구팀은 최근 년 간 촉매제의 계면작용 및 표면원자 구조와 성분에 대한 조절 제어연구를 통해 신형촉매제 재료개발을 위한 새로운 방법을 모색하였고, 연료전지 관련 나노촉매 계면과 표면설계 연구에서 새로운 성과를 달성하였다. 연구결과는 Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci., Adv. Mater., ACS Nano, Chem. Commun., J. Mater. Chem. 등 학술지에 발표된 상황이다.

­ 금속/산화물 계면은 전자구조를 변화시키기 때문에 촉매제의 활성을 효과적으로 향상시킨다. 하지만 전기화학적 환경에서 비귀금속의 서로 다른 산화상태의 촉매활성에 미치는 영향은 검증하기 매우 힘들고, 촉매제의 과산화수소에 의한 부식문제를 극복하고 전기화학적 반응활성을 향상시켜야한다. 이 외에도 불완전 환원으로 인한 에너지 손실문제도 존재하기 때문에 신형촉매제를 개발하기 위해서는 상기 언급한 문제들을 해결하여야 한다.

­ 이러한 문제점을 해결하기위한 방법으로 위수훙 교수 연구팀은 self-supporting 다중금속 촉매제 나노튜브를 연구 개발하였고, Pd-Au-Cu 성분의 신형 나노입자튜브촉매제를 합성하는데 성공하였다. 동 촉매제는 높은 비표면적과 전기화학적 활성을 보유하고 있으며 Pd-Cu 성분과 비교해본 결과, 금을 첨가하면 구리의 산화동 형성을 추진할 수 있지만 금을 첨가하지 않으면 Pd-Cu 성분은 산화제일동을 형성하는 경향이 강한 것으로 나타났다.

­ 연구팀은 관련 연구를 통해 산화동은 산소흡착에 더욱 유리한 동시에 전자 수송 매개체로서 산화환원능력을 향상시킨다는 점을 발견하였다. 또한 동 3차원 촉매제는 과산화수소의 환원에 대한 촉매작용이 뛰어나며 과산화수소로 인한 부식에 견디는 수준도 매우 높다는 점을 발견하였다. 촉매제는 산소환원과 과산화환원의 두 가지 기능을 보유하고 있으며 산소/과산화 환원의 촉매제로 활용할 수 있기 때문에 산소가 수용액에서 용해도가 한정되었던 문제(과산화수소는 용액에서 매우 높은 농도를 유지할 수 있음)를 극복하였고 촉매효율을 향상시켰다.

­ 이번 과학연구 성과는 [Chem. Commun. 46, 940-942, 2010]와 [Angew. Chem. Int. Ed. 49, 9149-9152, 2010]에 발표되었다.

­ 연구팀은 계면 제어성 Pd-Au 나노입자튜브촉매제를 설계하여 귀금속 계면이 촉매활성에 미치는 영향에 대한 연구를 실행하였다. 동 촉매제는 에틸알코올 산화에 대한 강한 안정성을 나타내었고 전기촉매활성을 뚜렷이 향상시켰다.

­ 연구팀의 관련 연구결과, 전기촉매 활성의 향상은 독립된 금속성분과는 직접적인 선형 비례관계를 나타내지 않지만 바이메탈 이질계면과는 직접적인 관계가 있다는 점을 발견하였다.

­ 촉매제의 금 성분이 증가되고 계면의 수량이 증가되면서 금속-금속계면과 표면의 전자구조가 변화되어 촉매제의 전기촉매활성에 영향을 미치며, 재료설계를 통해 촉매활성이 향상되는 근본적인 원인은 계면작용의 전자구조의 변화에 있다는 점을 실험으로 입증하였다. 이러한 효과는 촉매활성과 계면구조간의 관계를 이해하는데 도움이 되며 고효율 촉매제 재료를 설계하는데 중요한 근거와 참고가 된다. 상기 과학연구 성과는 [ACS Nano 5, 4211-4218, 2011]에 발표되었다.

­ 연구팀은 멀티스텝 템플릿 방법으로 셀프지원형 Pt 나노선/박막을 제조하였고, 연료전지 촉매제 재료로서의 Pt박막의 성능을 구현하였다. 제조된 Pt 나노선/박막의 산화환원 촉매 활성은 각각 Pt/C와 Pt 블랙의 2.1와 1.8배 수준에 달하며 상용화된 촉매제와 비교해 보았을 때, 셀프지원형 Pt나노선/박막 촉매제는 안정성을 크게 향상시킨 것으로 나타났다. 이번 연구 성과를 통해 고효율 양성자교환막연료전지 개발을 위한 탄탄한 기반을 구축할 수 있게 되었으며 연구 결과는 [Adv. Mater. 23, 1467-1471, 2011]에 매우 중요한 논문으로 발표되었다.

­ 이번 연구는 중국 국가중대과학연구프로젝트, 국가자연과학기금위원회의 중점과제, 그리고 국가과학기술부의 국제협력과제 지원을 받아 추진되었다.

그림설명 : 

 Pd-Au-Cu 이질 접합 나노입자 튜브의 전기촉매 활성과 Pd-Au 계면-활성 관계

출처 : http://www.cas.cn/ky/kyjz/201106/t20110615_3287779.shtml