김봉중 GIST 신소재공학부 교수국내 연구진이 금속 나노 촉매 입자의 생성 원리를 규명해 연료전지 등 재생에너지와 가스센서 등 기능성 촉매 소자의 내구성과 활성화 증대에 기여할 것으로 기대된다.
광주과학기술원(GIST)은 김봉중(사진) 신소재공학부 교수와 정우철 카이스트 신소재공학부 교수 공동연구팀이 산화물 기판에서 고온 환원 분위기를 형성시켰을 때 용리되는 금속 촉매 입자의 생성 원리를 투과전자현미경으로 실시간 관찰을 통해 규명했다고 23일 발표했다.
연구팀은 원자 해상도에서 입자성장을 관찰해 촉매의 특성을 결정짓는 입자의 크기, 밀도, 분포 등을 온도와 결정립의 크기 및 분포를 조절해 제어하는데 성공했다.
산화물 지지체를 이용한 금속 촉매 입자의 용출 현상은 촉매 입자가 지지체 표면에 박혀 있어 고온에서도 촉매 입자의 크기와 밀도가 순간적으로 변하는 조대화가 일어나지 않아, 고온 촉매 반응과 재생 에너지 응용에 있어 매우 중요하게 여겨져 왔다. 그러나 지금까지 용출된 후의 샘플 분석에 의존했기 때문에 입자의 크기, 밀도, 분포를 제어 할 수 있는 원리를 이해할 수 없었다. 이로 인해 촉매의 활성과 내구성을 극대화 할 수 없었다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 원자해상도와 빠른 이미징 획득이 가능한 실시간 투과전자현미경 기법을 통해 다결정 기판에서 코볼트(Co) 금속 원소의 용출현상의 운동학을 이해해 성장 메카니즘을 규명하고 이를 통해 입자의 크기가 오직 온도에 의해 조절이 가능하다는 것을 규명했다.
또 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 반응제어단계를 알아냈고, 코볼트 공공 생성과 용출 엔탈피, 입자 성장을 위한 활성화 에너지를 정량화했다.
연구팀은 추가적으로 일산화탄소(CO) 환원반응 실험을 통해 산화물 기판에 형성된 촉매의 반응사이트가 금속과 산화물 기판의 경계임을 알아냈고, 이를 제일원리계산을 통해 검증했다.
김 교수는 “이번 연구성과는 금속촉매의 용출 현상을 정량적으로 규명하고, 결정립을 용출 현상의 새로운 시스템으로 활용한 최초의 결과물”이라며 “앞으로 전기자동차, 가스센서, 가스개질 등의 분야에 획기적인 개선을 가져올 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
