KAIST, 강한 빛에서 0.02초내 새로운 촉매 합성

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 연료전지 등 차세대 에너지 저장이나 발전 연구에 널리 쓰는 고엔트로피 촉매, 단일원자 촉매를 합성했다.

한국과학기술원(KAIST)은 최성율 전기전자공학부 교수 연구팀과 김일두 신소재공학과 교수 연구팀이 강한 빛을 탄소 기반 소재에 쏴서 0.02초 이내에 나노입자 촉매와 단일원자 촉매를 진공 시설이 없는 대기 조건에서 합성하고, 촉매 성능을 구현했다고 6일 밝혔다.

김일두 교수(왼쪽)와 최성율 교수(오른쪽).(사진=KAIST)

연구팀은 지난해 4월 제논 램프 빛을 쏴서 금속산화물의 단계 변화와 표면에 촉매 입자가 생성될 수 있음을 밝혔다. 이후 소재의 광열효과를 유도하는 합성법에 대한 연구를 진행하고, 기존 합성법으로 구현하기 어려운 촉매 입자를 합성했다.

광열효과가 뛰어난 소재에 다종 금속 염을 고르게 섞어주고 빛을 가하면 초고온과 빠른 승·하온 속도를 기반으로 최대 9성분계의 합금 촉매를 합성할 수 있다. 합금 촉매는 연료전지, 리튬·황전지, 공기 전지, 물 분해 수소 생산 등 저장 및 발전에 널리 쓴다. 비싼 백금의 사용량을 줄이는데 유리하다.

연구팀은 광열효과를 통해 단일원자 촉매의 신규 합성법도 개발했다. 그래핀 산화물에 멜라민 및 금속염을 동시에 혼합해 빛을 쏘면 단일원자 촉매가 결합된 질소 도핑 그래핀을 합성할 수 있다. 백금, 코발트, 니켈 등의 단일원자 촉매가 고밀도로 붙어 다양한 촉매 응용 분야에 활용할 수 있다.

최성율 교수와 김일두 교수는 “강한 빛을 소재에 짧게 조사하는 간편한 합성기법을 통해 단일 원소 촉매부터 다성분계 금속 나노입자 촉매의 초고속, 대면적 합성을 가능하게 하는 새로운 촉매 합성 공정 플랫폼이 될 것으로 기대한다”고 했다.

연구 결과는 나노 분야의 권위적인 학술지인 ‘어드밴스드 매트리얼즈(Advanced Materials)’ 11월호에 속표지 논문으로 선정됐다. ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 12월호 속표지 논문으로도 출간 예정이다.