연료전지는 수소와 공기 등으로 전기를 생산하는 친환경 미래 에너지로서 많은 관심을 받고 있다. 하지만 연료전지의 주요 문제점인 내구성 및 성능을 높이기 위해서는 이에 적용되는 전극 물질의 열적 안전성 및 촉매 특성을 향상하는 것이 필수적이다.
POSTECH(포항공대, 총장 김도연) 신소재공학과 장현명 명예교수·한현 박사 팀은 박막의 격자 변형을 이용하여 뛰어난 열적 안전성을 나타내는 나노 촉매입자의 엑솔루션을 촉진하는 기술을 개발하였다고 밝혔다. 이 연구는 과학기술분야 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 최근호에 게재됐다.
물질 표면에 형성된 나노입자는 촉매, 신재생 에너지 등의 분야에서 핵심적인 역할을 한다. 이런 나노 입자는 일반적으로 진공증착 방식으로 제조되어 왔지만, 이 방식은 추가적인 제조 시간/비용 및 높은 열적 불안정성 등의 문제를 초래한다.
이를 개선하기 위해, 페로브스카이트(ABO3) 격자에 고온 및 환원 환경을 조성하여 금속 이온이 격자로부터 빠져나와 표면에 인시츄(in-situ) 성장이 되는 엑솔루션에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 엑솔루션된 나노입자는 기존의 진공증착 방식보다 열적 안전성이 월등하게 높을 뿐만 아니라 제조시간과 비용을 절감할 수 있다.
지금까지 엑솔루션 연구는 주로 다결정 구조를 가지는 벌크 물질을 대상으로 진행 되어왔다. 연구팀은 이런 다결정 물질이 아닌 단결정 구조를 가지는 박막에서의 격자 변형 정도를 조절해 1100개/µm2(제곱 마이크로미터) 이상의 높은 입자 밀도와 약 5nm(나노미터) 의 작은 크기의 나노입자 엑솔루션에 성공했다.
이것은 기존의 전압 인가에 의한 다결정 벌크 엑솔루션의 밀도 대비 3배 수준으로 증가, 크기는 3배 수준으로 작아진 것이다. 이렇게 많은 수와 작은 크기의 촉매 입자는 에너지 소자의 효율을 높이는 중요한 이점이 된다.
또한 이런 박막의 격자 변형으로 만들어진 엑솔루션은 높은 열적 안정성과 550도의 낮은 운영온도, 빠른 입자 생성, 입자 크기의 조절 가능성 등의 다양한 장점을 기반으로 저온 운영 및 휴대가 가능한(portable) 박막 연료전지의 핵심 기술이 될 것으로 전망한다.
한편 본 연구는 한국연구재단 이공학 기초연구사업의 지원으로 수행됐으며, 장 교수·한 박사 외 구미전자정보기술원(GERI)의 박주철 박사, 남상열 연구원, 포스텍의 김건중 박사, 최경만 교수, 막스플랑크 연구소의 스튜어트 파킨(Stuart S.P. Parkin) 교수, 세인트 앤드루스 대학(University of St. Andrews)의 존 얼바인(John T.S. Irvine) 교수가 참여하였다.
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