광주과학기술원(GIST)은 **일 문봉진 광주과기원 물리ㆍ광과학과 교수의 주도 아래 김용수 서울대 물리천문학부 박사, 한승우 서울대 재료공학부 교수, 전상호 삼성디스플레이 박사(공동저자) 등이 최근 산소환원반응이 촉매 물질에 따라 어떻게 달라지는지 규명하는 데 성공함으로써 연료전지의 성능을 끌어올릴 수 있는 가능성을 열었다고 밝혔다. 문 교수는 “이번 연구는 백금 층의 전자구조를 조절해 촉매반응속도를 조절할 수 있다는 것을 밝혀낸 것”이라며 “앞으로 다양한 방법으로 새로운 촉매 시스템을 디자인하고 개발할 수 있는 새로운 가능성을 열었다”고 평가했다.
산소환원반응이란 외부에서 유입된 산소와 수소, 전자가 만나 물이 돼 나오는 친환경 배출과정으로 연료전지의 핵심 촉매반응이다. 산소환원반응을 위한 촉매 물질로는 백금이 주로 사용되는데 그동안 산소환원반응 속도를 더 증가시켜야 하는 것이 과제로 남아 있었다. 또 값이 비싼 백금의 함량을 가능한 한 줄여야 실제 연료전지의 상용화가 가능한 상황이었다. 최근 백금에 전이금속을 넣은 합금에서 산소환원반응이 더 빠르게 일어남이 밝혀졌지만 이에 대한 정확한 원리와 전이금속의 역할 등에 대해서는 알려진 것이 없었다.
연구팀은 이번 연구에서 자동차에 사용되고 있는 고분자 전해질막 연료전지에서 최첨단 각도 분해 광전자 분광법을 활용, 산소흡착 과정 중에 일어나는 백금ㆍ전이금속 합금의 표면 전자구조의 변화를 측정ㆍ분석해 전이금속의 역할과 산호환원반응과의 상관관계를 명확하게 규명하는데 성공했다. 백금ㆍ전이금속 합금의 표면은 백금 층으로만 구성되는데 이 아래에 위치하고 있는 전이금속들이 표면 백금 층 내 전자구조의 변화를 유도하고, 이로 인해 산소 원자와의 결합에 관여하는 백금 층의 표면 상태가 약해진다는 것. 따라서 산소 원자는 순수 백금 위에서 보다 약하게 결합한 상태로 흡착되게 되고, 약한 결합상태로 인해 산소환원반응 역시 빨라지게 된다는 결론이다.
이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업으로 수행됐다. 연구 결과는 최근 물리ㆍ에너지 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 매터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 에 게재됐다.
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