'금속 촉매 입자의 생성 원리' 실시간 관찰해 세계최초 규명

GIST 신소재공학부 김봉중 교수와 카이스트 신소재공학부 정우철 교수 공동연구팀이 산화물 기판에서 고온상태의 산화물 이전으로 전환하는 환경을 만들었을때 성분이 분리되는 금속 촉매 입자의 생성 원리를 투과전자현미경 내에서 실시간 관찰을 통해 세계 최초로 규명했다.

김봉중 교수는 "이번 연구성과는 금속촉매의 입자생성 현상을 정량적으로 규명하고, 결정립을 용출 현상의 새로운 시스템으로 활용한 최초의 결과로써, 향후 전기자동차, 가스센서, 가스개질 등의 분야에 획기적 개선을 가져올 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

또한 원자 해상도에서 입자성장을 관찰해 촉매의 특성을 결정짓는 입자의 크기, 밀도, 분포 등을 온도와 원자배열이 같은 영역의 크기 및 분포를 조절해 제어하는데 성공했다.

산화물 지지체를 이용한 금속 촉매 입자의 용출 현상은 촉매 입자가 지지체 표면에 박혀있게 돼 고온에서도 촉매 입자의 크기와 밀도가 순간적으로 변하는 현상이 일어나지 않아, 가스센서 같은 고온 촉매 반응과 재생 에너지 응용에 있어서 매우 중요하게 여겨져 왔다. 그러나 기존의 연구는 용출된 후의 샘플 분석에 의존했기 때문에 입자의 크기, 밀도, 분포를 제어 할 수 있는 원리를 이해할 수 없었다.

이로 인해 촉매의 활성과 내구성을 극대화 하는 것이 불가능했다.

이 연구에서는 원자해상도와 1초에 10프레임까지 빠른 이미징 획득이 가능한 실시간 투과전자현미경 기법을 통해 SrTi0.75Co0.25O3-δ 다결정 기판에서 코볼트(Co) 금속 원소의 분리 현상의 운동학을 이해해 성장 메카니즘을 규명하고 이를 모델링했다.

이를 통해, 먼저 입자의 크기는 오직 온도에 의해 조절이 가능하다는 것을 밝혔다.

또한 용출된 금속 입자들을 모두 결정립계에서만 생성시켜 용출온도를 섭씨 500도까지 낮췄고, 결정립의 크기와 분포를 조절해 입자의 밀도와 분포를 최적화시킬 수 있었다. 나아가 열역학적 모델을 만들어 입자 성장의 반응속도를 결정짓는 제어단계를 알아내었고, 코볼트 공공(원자가 빠진 결정격자의 위치)생성과 용출 에너지, 그리고 입자 성장을 위한 최소한의 에너지를 정량화했다.

추가적으로 일산화탄소(CO) 환원반응 실험을 통해 산화물 기판에 형성된 촉매의 반응사이트가 금속과 산화물 기판의 경계임을 알아내고, 이를 제일원리계산을 통해 검증했다.

[e-mail] 김만기 기자