백종범 UNIST 교수 연구팀.[UNIST 제공]

- UNIST 백종범 교수팀, 연료전지용 촉매 등에 활용 가능



[헤럴드경제=구본혁 기자] 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지에는 산소환원반응을 돕는 ‘촉매’가 가장 중요하다. 기존에는 값비싼 귀금속 촉매인 백금이 쓰였는데, 이를 저렴한 다른 금속으로 대체하기 위한 노력이 전개되고 있다. 이 가운데 소량의 원자단위 값싼 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)를 결합해 높은 효율과 안정성을 보이는 촉매가 개발돼 눈길을 끌고 있다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀은 중국 난징대 부 윈페이 교수팀과 공동으로, 아연-질소-탄소로 이뤄진 새로운 촉매를 합성하고, 이 촉매에서 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성 자리를 찾는 데 성공했다고 23일 밝혔다. 활성 자리를 중심으로 촉매를 설계, 합성하면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 전망이다. 

활성자리 구조 예시. 정중앙 상단의 아연 원자 하나(핑크색)와 질소원자(파란색) 두개가 결합한 구조가 가장 촉매 반응이 잘 일어난다.[UNIST 제공]

기존 촉매 연구는 값비싼 백금을 대체하는 고효율 전이금속 촉매를 합성하는 데 중심을 뒀다. 백금 대신 다른 물질을 써서 고효율을 얻을 수 있는지 살피는 것이다. 그러나 새롭게 합성한 촉매 내에서 최적화된 반응이 일어나는 구체적인 위치를 찾는 연구는 부족했다.

백종범 교수팀은 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)로 이뤄진 새로운 전이금속 촉매(ZnNC)를 합성했다. 그런 다음 분광 분석 장비와 원자 내에 전자가 들어가는 있는 모양과 에너지를 계산하는 함수를 이용해 산소환원반응이 잘 일어나도록 도와주는 촉매 구조를 찾아냈다.

연구팀은 또한 원자의 종류뿐 아니라 원자의 결합구조도 밝혀냈다. 그 결과 최적화된 촉매 반응 자리가 아연(Zn) 원자 하나에 질소(N) 원자 두 개가 결합된 Zn-N₂구조임을 알아냈다. 이 구조의 촉매가 백금와 비교해도 산소환원반응 속도가 더 우수하다는 걸 실험을 통해 입증했다. 이 실험 결과는 이론적인 계산 결과와도 잘 일치했다.

백종범 교수는 “성능을 중시하는 기존 촉매 개발에서 벗어나 촉매의 활성 자리를 정확히 규명하는 데 초점을 맞춘 연구”라며 “활성 자리 구조를 위주로 촉매를 설계할 수 있기 때문에 촉매 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션’ 6월 13일자 논문으로 게재됐다.

구본혁기자nbgkoo@heraldcorp.com