섬광을 쪼여 연료전지 소재를 만들었다

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술원(KAIST) 최성율·김일두 교수팀이 짧고 강한 빛으로 연료전지에 들어가는 소재를 쉽고 빠르게 만들어냈다. 연구진은 이 방법을 통해 물 분해 반응이나 가스 센서 등에 들어갈 촉매의 제조 공정 비용을 획기적으로 줄일 것으로 기대하고 있다.

6일 연구진에 따르면, 이 기술은 대면적의 빛을 활용하고 대기 중의 환경에서 매우 빠른 시간(0.02초 이내)에 고엔트로피 촉매 및 단일원자 촉매의 합성을 세계 최초로 구현한 기술이다.

광열효과가 뛰어난 탄소 나노섬유, 그래핀 산화물, 맥신(Mxene) 등 소재에 다종 금속 염을 고르게 섞어주고 빛을 쪼여준다. 이때 1800~3000도까지 표면온도가 급상승하고 매우 빠르게 온도가 내려오면서 최대 9성분계의 합금 촉매가 만들어진다.

연구진은 "합금 촉매는 연료전지, 리튬-황전지, 공기 전지, 물 분해 수소 생산 등 저장 및 발전에 광범위하게 적용되며, 비싼 백금의 사용량을 획기적으로 줄이는데 유리하다"고 설명했다.

또한 광열효과를 통해 단일원자 촉매의 신규 합성법에도 성공했다. 그래핀 산화물에 멜라민 및 금속염을 동시에 혼합해 빛을 쪼여주면 단일원자 촉매가 결합된 질소 도핑 그래핀을 합성해냈다. 백금, 코발트, 니켈 등의 다양한 단일원자 촉매가 고밀도로 결착돼 다양한 촉매 응용 분야에 활용할 수 있다.

최성율 교수는 "강한 빛을 소재에 0.02초 쪼여주면 간편한 합성기법을 통해 단일 원소 촉매부터 다성분계 금속 나노입자 촉매의 초고속, 대면적 합성을 가능하게 하는 새로운 촉매 합성 공정 플랫폼이 될 것"이라고 말했다.

특히, 김일두 교수는 "매우 빠른 승하온 속도를 기반으로 기존에 합성하기 어려웠던 고엔트로피 다성분계 촉매 입자를 대기 중 조건에서 균일하게 합성해 고성능 물 분해 촉매로 응용했다는 점에서 매우 의미있다"며, "응용 분야에 따라 촉매 원소의 크기와 조성을 자유롭게 조절해 제작할 수 있는 신개념 광 기반 복합 촉매 소재 합성 플랫폼을 구축했다"고 말했다.

이번 연구 결과는 나노 분야의 권위적인 학술지인 '어드밴스드 매트리얼즈(Advanced Materials)'에 발표됐으며, 11월호 속표지 논문에 선정됐다.

또한 '에이씨에스 나노(ACS Nano)' 12월호에 속표지 논문으로 출간될 예정이다.

[e-mail] 김만기 기자