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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