- 복합촉매 개발 위한 새로운 지침 제시… ACS Nano 논문 게재
 |
| 울산과학기술원 에너지ㆍ화학공학부 김건태 교수팀. 왼쪽부터 자비드 무하마드 박사, 김창민 연구원, 김정원 연구원, 권오훈 연구원, 김건태 교수. |
[헤럴드경제(울산)=이경길 기자] 울산과학기술원(UNIST, 총장 정무영)은 에너지ㆍ화학공학부의 김건태 교수팀이 금속-공기전지의 성능을 높일 새로운 ‘복합촉매(NP Co₃O₄/Fe@C₂N)’를 개발했다고 30일 밝혔다.
금속-공기전지는 크게 금속으로 만들어진 ‘연료극’과 산소를 활용하는 ‘공기극’으로 이뤄진다. 전기를 사용하는 방전 시에는 금속에서 산화된 전자가 공기극으로 이동하며 전기를 발생시키고, 반대로 충전 시에는 공기극에서 금속으로 전자를 이동시키며 전기를 저장한다. 금속-공기전지의 상용화에 가장 중요한 부분은 충ㆍ방전 시 공기극에서 반응이 원활하게 진행되도록 돕는 촉매다. 주로 백금(Pt)이나 산화이리듐(IrO₂)의 귀금속 계열의 촉매가 성능이 뛰어나지만 가격이 비싸고 내구성이 낮아 대규모 응용이 어려웠다.
김 교수팀은 귀금속 촉매의 문제를 해결하기 위해 ‘코발트 산화물(Co₃O₄)’과 ‘철을 포함한 2차원 유기고분자 (Fe@C₂N)’로 복합촉매를 만들었다. 2차원 유기고분자 촉매는 백종범 UNIST 교수팀이 개발한 것으로, 방전 반응(ORR)에서 뛰어난 효율을 보인다. 반면 충전 반응에서는 효율(OER)이 낮았는데, 여기에 코발트 산화물 금속을 더해 충·방전에서 모두 뛰어난 효율을 보이도록 만들었다.
연구진은 수열합성(Hydrothermal synthesis)을 통해 유기고분자(C₂N)가 이루는 그물망 위에 코발트 산화물이 올라간 형태의 복합촉매를 만들었다. 그 결과 질소(N) 원소와 코발트 산화물 사이에 결합이 형성돼 촉매의 안정성이 높아졌다. 또 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER) 양쪽에서 효율이 높아졌다.
제1저자인 김정원 UNIST 에너지공학과 석ㆍ박사통합과정 연구원은 “코발트 산화물과 유기고분자 C₂N에서 시너지 효과가 나타나 산소발생반응에서도 우수한 효율을 나타냈다”며 “이번 연구를 활용하면 앞으로 더 효율적인 금속 산화물-유기고분자 촉매를 설계할 수 있을 것”이라고 말했다.
김건태 교수는 “금속-공기전지의 공기극로 값싼 재료로 만든 고효율 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며 “차세대 공기극 신소재 개발과 안정성 문제를 동시에 해결할 단서도 제공했다”고 연구 의의를 밝혔다.
이번 연구는 UNIST 에너지ㆍ화학공학부의 백종범 교수도 함께 참여했다. 연구 결과는 재료과학 분야에서 최고 권위를 자랑하는 ACS Nano 5월28일자로 출판됐다.
hmdlee@heraldcorp.com
