[토토 사이트 이상현 기자] 카이스트(KAIST)가 0.02초만에 연료전지 등 차세대 에너지 저장 및 발전에 적용되는 고엔트로피 촉매 및 단일원자 촉매 합성을 세계 최초로 구현했다.
카이스트는 연구팀이 강한 빛을 다양한 탄소 기반 소재에 조사해, 0.02초 이내에 나노입자 촉매와 단일원자 촉매를 진공 시설이 없는 대기 조건에서 합성하고 우수한 촉매 성능을 구현하는데 성공했다고 6일 밝혔다.
연구팀은 전기및전자공학부 최성율 교수, 신소재공학과 김일두 교수가 이끌었다.
연구팀은 지난해 4월 제논 램프 빛을 조사해 금속산화물의 상 변화와 표면에 촉매 입자가 생성될 수 있음을 최초로 밝혔고 그 후속으로 소재의 광열효과를 유도하는 합성법에 대한 연구를 진행했다. 이에 1,800~3,000℃에 해당하는 초고온과 빠른 승·하온 속도를 통해 기존의 합성법으로는 구현할 수 없는 촉매 입자를 합성하는 데 성공했다.
이번 기술은 대면적의 빛을 활용하고 대기 중의 환경에서 매우 빠른 시간에 고엔트로피 촉매 및 단일원자 촉매의 합성을 세계 최초로 구현한 기술이다.
광열효과가 뛰어난 소재(탄소 나노섬유, 그래핀 산화물, 맥신)에 다종 금속염을 고르게 섞어주고 빛을 가하게 되면 초고온 및 매우 빠른 승‧하온 속도를 기반으로 최대 9성분계의 합금 촉매를 합성할 수 있음을 확인했다.
합금 촉매는 연료전지, 리튬-황전지, 공기 전지, 물 분해 수소 생산 등 저장 및 발전에 광범위하게 적용되며 비싼 백금의 사용량을 획기적으로 줄이는 데 유리하다고 KAIST는 설명한다.
또 연구팀은 광열효과를 통해 단일원자 촉매의 신규 합성법도 개발했다.
그래핀 산화물에 멜라민 및 금속염을 동시에 혼합해 빛을 비추면 단일원자 촉매가 결합된 질소 도핑 그래핀이 합성됨을 밝혔다. 백금, 코발트, 니켈 등의 다양한 단일원자 촉매가 고밀도로 붙어 다양한 촉매 응용 분야에 활용될 수 있다.
최성율 교수와 김일두 교수는 "강한 빛을 소재에 짧게 조사하는 간편한 합성기법을 통해 단일 원소 촉매부터 다성분계 금속 나노입자 촉매의 초고속, 대면적 합성을 가능하게 하는 새로운 촉매 합성 공정 플랫폼이 될 것"이라며 "응용 분야에 따라 촉매 원소의 크기와 조성을 자유롭게 조절해 제작할 수 있는 신개념 광 기반 복합 촉매 소재 합성 플랫폼을 구축했다ˮ고 강조했다.
연구 결과는 나노 분야 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 11월호에 속표지 논문으로 선정됐다. '에이씨에스 나노(ACS Nano)' 12월호에도 속표지 논문으로 출간된다.
