국내 연구진이 대면적의 빛을 활용해 0.02초 이내에 차세대 에너지 저장·발전에 광범위하게 적용되는 고엔트로피 및 단일 원자 촉매의 합성을 세계 최초로 구현했다.
한국과학기술원(KAIST)은 최성율 전기및전자공학부 교수 연구팀과 김일두 신소재공학과 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 강한 빛을 다양한 탄소 기반 소재에 조사해 0.02초 이내에 나노 입자 촉매와 단일 원자 촉매를 진공 시설이 없는 대기 조건에서 합성하고 우수한 촉매 성능을 구현하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.
연구팀은 지난해 4월 제논 램프 빛을 조사해 금속산화물의 상(phase) 변화와 표면에 촉매 입자가 생성될 수 있음을 최초로 밝혔다. 후속으로 소재의 광열 효과를 유도하는 합성법에 대한 연구를 진행해 1800~3000도의 초고온과 빠른 승·하온 속도를 통해 기존의 합성법으로는 구현할 수 없는 촉매 입자를 합성하는 데 성공했다.
이 기술은 대면적의 빛을 활용하고 대기 중의 환경에서 0.02초 이내에 고엔트로피 및 단일 원자 촉매의 합성을 세계 최초로 구현한 것이다. 탄소 나노 섬유와 그래핀 산화물 등 광열 효과가 뛰어난 소재에 다종 금속 염을 고르게 섞어주고 빛을 가하게 되면 초고온과 매우 빠른 승·하온 속도를 기반으로 합금 촉매를 합성할 수 있음을 밝혀냈다. 합금 촉매는 연료전지, 리튬황전지, 공기전지, 물 분해 수소 생산 등 저장·발전에 광범위하게 적용되며 비싼 백금의 사용량을 획기적으로 줄이는 데 유리하다.
연구팀은 “강한 빛을 소재에 짧게 조사하는 간편한 합성 기법을 통해 단일 원소 촉매부터 다성분계 금속 나노 입자 촉매의 합성을 가능하게 하는 새로운 촉매 합성 공정 플랫폼이 될 것으로 기대된다”며 “기존에 합성하기 어려웠던 고엔트로피 다성분계 촉매 입자를 대기 중 조건에서 균일하게 합성해 고성능 물 분해 촉매로 응용했다는 점에서 의미 있는 연구 결과”라고 설명했다.
이번 연구는 나노 분야의 권위적인 학술지 ‘어드밴스드 머트리얼즈’ 11월호에 속표지 논문으로 선정됐고 ‘ACS 나노’ 12월호에 속표지 논문으로도 출간될 예정이다.
