니콜라이 츠베코프 박사

페로브스카이트 산화물은 최근 수년 간 연료전지, 비 휘발성 메모리, 이산화탄소의 광 변환 등 다양한 분야에 활용 가능한 소재로 연구되어 왔으나, 고온에서 수분과 공기에 노출되면 산화물 표면이 화학적으로 불안정해져 메모리, 연료 전지 등의 수명과 성능을 저하시키는 주요 원인이 됐다. 이러한 현상이 발생하는 이유는 페로브스카이트 산화물의 원소 중 스트론튬이 표면에서 산화물 절연막을 형성해 전자전달 및 산소 교환반응을 방해하기 때문이다.  이를 방지하기 위해 금속 산화물 표면에 수 나노미터 수준으로 코팅하는 방법이 있지만, 근본적인 문제해결에는 한계가 있었다. 연구팀은 이 문제 해결을 위해 다양한 이종 원소를 이용해 표면에 존재하는 산소 원자결함을 선택적으로 제거하는 기술을 개발했다. 이를 통해 반응을 방해하는 표면의 절연층 형성을 억제하는 한편, 우수한 전기·촉매적 특성 및 반응속도를 갖는 소재를 개발했다.연구팀은 촉매로서의 활성이 없는 것으로 알려진 하프늄을 사용해 기존 소재대비 연료전지 전극의 성능을 30배 증가시켰고, 소재의 안정성도 대폭 향상시켰다. 이 연구 결과는 기존에 알려지지 않은 새로운 현상으로 그동안 연료전지 성능 향상의 가장 큰 걸림돌이었던  전극 표면에서의 산소 환원반응의 원인을 이론적으로 규명했다는 의미가 있으며, 고체 산화물 연료전지의 안정성에 대한 해답을 제시했다. 니콜라이 박사는 “극소량의 이종 원소 표면처리 기술을 이용해 연료전지를 비롯한 다양한 분야의 전기화학 촉매가 될 것”이라며 “기존의 기술적 한계를 극복하는 핵심기술로 널리 활용될 수 있을 것”이라고 연구의미를 설명했다.

페로브스카이트 산화물은 조성의 변화를 통해 다양한 특성을 가질 수 있으며, 표면에서의 상 분리현상으로부터 기인한 표면 불안정성은 연료전지를 포함한 다양한 활용분야에서 한계점을 가지고 있었다. 대표적으로 고체산화물 연료전지에서 많이 사용되는 물질은 란타늄·스트론튬·코발트 산화물(LSC)로써 고온 작동환경에서 표면열화 및 산소 환원반응 활성저하의 문제점을 갖고 있었다. 이러한 표면 열화과정은 페로브스카이트 산화물의 원소 가운데 스트론튬이 표면에서 산화물 절연막을 형성함으로써 전자전달 및 산소 교환반응을 방해하기 때문이다. 이 문제를 해결하기 위해 금속 산화물 표면에 수 나노미터(10억분의 1미터) 수준으로 코팅하는 방법이 있었는데, 이 방법이 성능을 향상시킨다는 실험적결과는 보고되었지만, 근원적인 메커니즘에 대한 이해는 부족했다. 따라서 이 연구에서는 페로브스카이트 산화물 표면에 산소 원자결함 형성 엔탈피가 각기 다른 여러 가지의 이종 원소 처리를 통해 표면 산소 교환반응에 대한 메커니즘 분석 연구를 진행했다.

그 결과 기존에 화학적으로 불활성 금속으로 알려져 있던 하프늄을 처리했을 때 표면 안정성은 물론, 기존에 알려진 소자에 비해 산소 교환반응 속도가 30배 증가하는 것을 실험적으로 확인했다. 또한, 이로부터 산소교환반응과 산소 원자결함 형성 엔탈피간의 상호작용에 의한 표면 특성 메커니즘을 화산도표(volcano plot)로 나타낼 수 있으며, 반응속도와 안정성 사이에는 성능이 극대화되는 최적의 조건이 있음을 밝혀냈다. 이러한 결과는 실시간 X선 흡수분광법을 이용한 전자구조 분석, 전극의 임피던스 분석, 원자힘현미경 등을 통해 페로브스카이트 산화물 전극의 표면구조 및 연료 전지 전극으로서의 성능을 분석했다.

1. 페로브스카이트 산화물 : 페로브스카이트 산화물은 1839년에 최초로 발견된 페로브스카이트 광물의 구조(ABO3)에서 유래한 물질로 조성변화의 용이함과 우수한 전기적 특성을 바탕으로 연료전지, 비휘발성 메모리칩, 태양전지, 이산화탄소 광변환 등 에너지변환 소재로써 다양한 분야에 활용되고 있다.

2. 산소 환원반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR) : 연료전지는 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 에너지변환 소자 중 하나로 양극에서의 수소산화반응을 통해 형성된 수소양성자와 전자를 이용하여 음극에서는 산소 환원반응(ORR)을 통해 물을 생성하는 반응이 일어난다. 수소 산화반응이 매우 빠르게 일어나는 반면, 산소환원반응은 매우 느리게 진행되기 때문에 우수한 성능과 수명을 갖는 전극소재를 개발하는 것이 매우 중요하다.
3. 산소 원자결함(Oxygen vacancies) : 산소 원자결함은 금속 산화물 구조 내에서 산소 원자의 빈자리를 말하는 것으로 재료의 물성을 결정하는 요인으로 작용하며, 음의 전하를 띄는 산소의 빈자리는 양전하를 갖는다