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백금 사용량 10분의 1로 줄인 단일원자 촉매 개발

2017-10-24기사 편집 2017-10-24 17:32:25

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첨부사진1HAADF-STEM 분석법을 통해 관찰한 촉매 및 백금 단일 원자(흰색 원으로 표시된 밝은 점). 사진=KAIST 제공
이현주 KAIST 생명화학공학과 교수와 한정우 서울시립대 교수 공동연구팀이 기존 촉매의 백금 사용량을 10분의 1로 줄일 수 있는 '백금 단일원자 촉매'를 개발했다고 KAIST가 24일 밝혔다.

백금 단일원자 촉매는 안정적인 고함량 물질로 '직접 포름산 연료전지'(Direct formic acid fuel cells)에 적용하는데 성공했다.

백금 기반의 촉매는 활성과 안전성이 높아 다양한 촉매반응에 적용되지만, 가격이 비싸고 희귀하기 때문에 백금의 사용량을 최대한 줄이는 것이 중요하다,

그 중 단일원자 촉매는 백금 입자 크기를 원자 단위로 줄여 모든 원자가 반응에 참여하기 때문에 백금 촉매의 가격을 획기적으로 낮출 수 있다.

또한 두 개 이상의 원자가 붙어 있는 앙상블 자리(ensemble site)가 없기 때문에 원하는 생성물을 선택적으로 얻을 수 있다.

하지만 단일원자 촉매는 낮은 배위수(coordination number)와 높은 표면자유에너지로 인해 쉽게 뭉치고 안정성이 떨어져 실제 장치에 적용이 어렵다는 한계가 있다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 금속 원소인 안티몬이 첨가된 '주석 산화물'(Antimony-doped tin oxide·ATO) 위에 백금 단일원자가 주석과의 합금 형태로 존재하는 구조를 개발했다.

개발한 촉매는 포름산 산화반응에서 일반적으로 사용되는 촉매인 상용백금촉매(Pt/C)보다 최대 50배 높은 활성을 보였고 장기안정성 또한 월등하게 높았다.

연구팀은 또 이 촉매를 막과 전극으로 구성된 직접 포름산 연료전지에 적용했다. 단일원자 촉매를 완전지 형태의 연료전지에 적용한 것은 최초의 시도로, 기존 촉매에 비해 10분의 1 정도만의 백금을 사용해도 비슷한 출력을 얻을 수 있다.

이현주 교수는 "귀금속 단일원자 촉매의 가장 큰 문제점인 낮은 함량과 낮은 안정성을 높일 수 있었고, 최초로 직접 포름산 연료전지에 적용했다"며 "연료전지에 적용 가능한 고함량 및 고안정성 귀금속 단일원자 촉매의 개발에 기여할 수 있을 것이다"고 말했다.

이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 진행됐다. 조수연 기자





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첨부사진2이현주(왼쪽) KAIST 교수, 한정우 서울시립대 교수. 사진=KAIST 제공

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