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연료전지 효율 높이는 ‘촉매’ 비밀 밝혀

POSTECH․UNIST 연구팀, 촉매 상전이 및 용출 현상 규명

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[월간수소경제 성재경 기자] POSTECH-UNIST 연구팀이 원자 단위에서 용출 현상과 상전이 현상을 최초로 밝혀 고성능 촉매 개발에 한 걸음 다가섰다.   


POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 한정우 교수, 박사과정 김경학 연구원은 UNIST(울산과기원) 김건태 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 연료전지에 들어가는 촉매 물질인 ‘PBMO’가 페로브스카이트 구조에서 층상구조로 변함과 동시에 나노입자가 표면으로 용출되는 메커니즘을 밝히고, 전극 및 화학 촉매로서 가능성을 확인했다.  


이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지와 환경과학’의 뒷표지 논문으로 선정, 최근 게재됐다.


연료전지의 촉매 중 하나인 PBMO(Pr0.5Ba0.5MnO3-δ)는 수소가 아닌 탄화수소를 바로 써도 안정적으로 작동하는 물질로 알려져 있다. 


이 물질은 산소를 잃는 환원 조건에서 층상구조로 변화되면서 높은 이온전도도를 갖게 된다. 동시에 금속산화물 내부의 원소가 표면으로 나오는 용출 현상이 일어난다. 


이 현상은 주위 환원 조건에 의해 자발적으로 일어나며, 물질 내부의 원소가 표면으로 올라오면서 연료전지의 안정성과 성능이 크게 좋아진다. 하지만 그동안 어떤 과정을 통해 고성능 촉매가 형성되는지 알려진 바가 없어 소재 설계에 어려움이 있었다. 


연구팀은 양자역학 기반의 제일원리 계산, 실시간 소재의 결정구조 변화를 볼 수 있는 in-situ XRD 실험을 통해 이 과정이 ‘상전이 → 입자 석출 → 촉매 형성’ 순으로 일어남을 확인했다.  


이렇게 개발된 산화 촉매는 기존 촉매와 비교해 4배까지 성능이 높아져 다른 화학 촉매 연구에도 적용이 가능하다. 


김건태 교수는 “이 물질은 연료전지뿐 아니라 촉매 지지체와 나노 촉매가 필요한 오염물질 저감, 센서, 화학 촉매 분야에 쓰일 수 있어 활발한 연구가 기대된다”고 말했다.  


한정우 교수는 “시뮬레이션을 통해 기존 실험에서 확인하기 어려웠던 원자 단위에서 정밀하게 소재를 이해하고, 이를 성공적으로 실증함으로써 기존 연구의 한계를 뛰어넘을 수 있었던 좋은 사례”라고 설명했다. 





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