 UNIST, 철과 2차원 고분자로 반영구적 철 촉매 개발 비용·안정성 문제 동시 해결 … 철 촉매 상업화 ‘성큼’
UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀과 김건태 교수팀은 2차원 유기고분자를 이용해 백금을 능가하는 철 촉매를 개발했다고 밝혔다. 2차원 유기고분자가 철을 누에고치처럼 완벽하게 감싸서 철을 안정적으로 보호하는 것이 핵심이다. 지금까지는 수소로 전기를 만드는 연료전지에 비싼 ‘백금촉매’를 사용했다. 이를 값싼 금속으로 대체할 길이 열려 차세대 에너지 소재 분야에 기여하게 될 것으로 보인다. 자료 : UNIST  백종범 교수(왼쪽 두번째)와 연구진
연료전지는 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 만들고 물만 배출하는 장치다. 화석연료와 달리유해한 물질을 배출하지 않아 미래 친환경에너지산업을 이끌어갈 가장 중요한 기술로 여겨진다. 연료전지로 전기를 생산하려면 산소가 물로 바뀌는 과정(산소환원반응)이 꼭 필요하다. 이때 화학반응은 촉매 없이 진행되지 않아 연료전지에는 백금 등이 촉매로 반드시 들어간다. 백금은 쉽게 반응하지 않는데다 촉매로서도 우수한 성능을 보이지만, 귀금속이라 비싼데다 매장량의 한계가 있다. 특히 오래 사용하면 녹아버리는 등 안정성도 낮아 백금을 대 체하려는 시도가 꾸준하게 진행됐다.
철을 2차원 유기고분자로 꽁꽁 감싸고, 다른 물질과 녹슬지 않도록 안정성 확보 백종범 교수팀은 백금을 대체할 물질로 값싼 철을 이용하는 방법을 찾았다. 철을 2차원 유기고분자(씨투엔(C₂N)로 꽁꽁 감싸서 다른 물질과 녹슬지 않도록 안정성을 확보한 것이다. 이 촉매는 백금과 같은 성능을 나타내는 것은 물론, 반영구적으로 쓸수 있는 안정성까지 확보했다.
이 기술은 세계적인 과학저널 ‘나노 에너지(Nano Energy)’와 ‘미국화학회지(JACS)’에 연달아 출판되며 주목받고 있다. 특히 미국화학회지(JACS)는 이번 연구를 최신호 표지로 선정했다. 이 논문의 제1저자인 자비드 마흐무드 UNIST 에너지공학과 박사는 “2차원 유기 구조체의 질소 원자로 철 이온을 고정시킨 다음 열처리하면 철을 완벽하게 감싼 누에고치 구조가 된다”고 설명하며, “이구조가 새로운 철 촉매성능의 열쇠”라고 전했다.
이 연구는 기존에 보고된 백금 대체용 철 촉매연구와 다른 접근법으로 눈길을 모았다. 단순히 철과 다른 분자를 합성시킨 게 아니라, 철을 완벽하게 감싼 구조로 촉매성능을 월등히 높였다는 점이다. 이 내용은 JACS 2월 7일 표지 논문으로 선정되며 과학적으로 한 번 더 입증됐다. JACS 논문 제1저자인 김석진 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 “철 기반의 다른 촉매와 비교하자 구조적인 차이가 드러났다”며, “다른 촉매와 달리 2차원 구조체가 철을 감싸면서 완벽한 탄소층이 얇게 형성돼 안정성이 높아진 것”이라고 설명했다.
백종범 교수는 “이번 기술은 연료전지와 금속-공기전지의 상업화에 가장 큰 걸림돌인 귀금속 촉매의 가격과 안정성 두 마리 토끼를 한 번에 잡았다”며,“다른 금속을 이용해 광범위하게 응용할 가능성도 제시해 더 연구한다면 다른 반응의 촉매에도 적용 가능할 것”이라고 말했다. 그는 이어 “백금을 대체할 정도로 우수한 철 촉매를 개발한 이번 기술은 ‘현대판 연금술’로 불릴 정도로 새로운 발견”이라며, “반응물질과 직접 접촉하지 않더라도 촉매 작용이 가능한 새로운 과학적 현상을 처음 입증하면서 전 세계에 우리나라의 우수한 연구역량도 알렸다”고 덧붙였다.  [그림 2] Fe@C2N의 구조가 형성되는 모식도. HAB, HKH 단량체가 NMP 용매에 분산돼 FeCl3와 함께 반응하면서 Fe3+@C2N을 형성한다. NaBH4로 환원된 나노 입자들이 FexOy@C2N을 형성하고 열처리를 통해 최종적으로 Fe@C2N이 만들어진다. [그림 3] Fe@C2N의 전자현미경 이미지와 촉매 성능 평가 그래프 (a) 원자분해능 투과전자현미경(atomic-resolution transmission electron microscopy, AR-TEM) 이미지가 철 나노 입자들이 질소가 도입된 탄소층에 잘 감싸진 것을 보여준다. (b, c) 염기 조건(0.1 M KOH)에서 측정된 산소환원 특성 시험결과로, 백금보다 우수한 성능을 보여준다. (d-f) 전체 연료전지(Full-cell) 성능 시험 비교결과로, (d)는 첫 번째 충·방전 곡선, (e)는 하이브리드 리튬-공기전극 시험결과, (f)는 아연-금속전지 시험결과다. 세 가지 시험에서 모두 백금촉매보다 Fe@C2N이 낮은 과전압과 우수한 안정성을 보여주고 있다. [그림 4] 2차원 고분자로 감싼 촉매(Fe@Aza-PON), 저분자로 합성된 촉매(Fe@TAB), 백금의 안정성 시험 (a) 촉매 테스트 횟수에 따른 전류량 변화( ~10만 번). Fe@Aza-PON의 경우 10만 번까지 테스트해도 전류의 양이 본래에 가깝게 유지되는 것을 볼 수 있다. (b) 메탄의 독성 시험결과. 촉매의 활성을 방해하는 요소인 메탄올을 주입해도 잘 견디는 것을 확인할 수 있다. 현대판 연금술… 차세대 에너지 소재 분야에 크게 기여 이번 연구는 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업(창의연구)과 교육부-한국연구재단이 주관하는 BK21플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), 중견 연구자지원사업 및 기후변화사업을 통해 이뤄졌다.
두 연구결과는 2차원 망상 유기고분자가 손쉽게 철이온을 감싸 안정된 산소환원용 촉매가 만들어짐을 연속적으로 입증했다. 이 기술은 우선 연료전지와 금속-공기전지처럼 산소환원반응을 필요로 하는 차세대 에너지 소재 분야에 크게 기여할 것으로 보인다. 두 기술의 상업화에 가장 큰 걸림돌인 귀금속 촉매의 가격과 안정성 두 가지 모두를 한 번에 해결할 수 있기 때문이다.
또한, 비 접촉 촉매작용을 처음으로 제안함으로써 미래 촉매산업에서 안정성 개선에 새로운 해결법을 제시했다. 이 방법을 이용하면 철뿐만 아니라, 다른 금속을 도입해 다양한 촉매반응에서 우수한 성능을 나타낼 것으로 기대된다.
더 나아가 금속 원자들과 2차원 망상 유기고분자간에 상호작용을 심도 있게 연구한다면, 산소환원촉매를 넘어 다양한 반응의 촉매에도 적용할 수 있을 것이다. 이를 토대로 다양한 촉매구조를 설계할 수 있으며, 보고되지 않은 새로운 물리화학적 현상들을 발견할 수 있을 것으로 보인다.
이와 함께 기존 산소환원반응 촉매원리의 새로운 관점, 즉 간접 접촉 촉매작용을 제시해 학술적으로도 큰 의의를 가진다.
<Energy News>
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