수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지에는 산소환원반응을 돕는 ‘촉매’가 가장 중요하다. 기존에는 값비싼 귀금속 촉매인 백금(Pt)이 쓰였는데, 이를 저렴한 다른 금속으로 대체하려는 시도가 많다. 이 가운데 소량의 원자단위 값싼 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)를 결합하여 높은 효율과 안정성을 보이는 촉매가 개발돼 눈길을 끌고 있다.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 중국 난징대(NUIST)의 부 윈페이(Yunfei Bu) 교수팀과 공동으로, 아연–질소–탄소로 이뤄진 새로운 촉매를 합성하고, 이 촉매에서 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성 자리를 찾는 데 성공했다. 활성 자리를 중심으로 촉매를 설계, 합성하면 더 높은 효율을 얻을 수 있을 전망이다.
기존 촉매 연구는 값비싼 백금(Pt)을 대체하는 고효율 전이금속 촉매를 합성하는 데 중심을 뒀다. 백금 대신 다른 물질을 써서 고효율을 얻을 수 있는지 살피는 것이다. 그러나 새롭게 합성한 촉매 내에서 최적화된 반응이 일어나는 구체적인 위치를 찾는 연구는 부족했다.
이번 연구에서 백종범 교수팀은 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)로 이뤄진 새로운 전이금속 촉매(ZnNC)를 합성했다. 그런 다음 분광 분석 장비와 원자 내에 전자가 들어가는 있는 모양과 에너지를 계산하는 함수를 이용해 산소환원반응이 잘 일어나도록 도와주는 촉매 구조를 찾아냈다.
연구진이 사용한 분광 분석 장비는 ‘X-선 흡광 분석기(X-ray Absorption Fine Spectroscopy)’다. 이 장비는 X-선을 쪼였을 때 물질 내 전자가 X-선을 흡수하는 모양(spectrum)이 물질마다 다르다는 걸 이용한다. 분석 영역에 따라 두 가지로 구분되는데, 기존에는 원자 결합 종류만 파악할 수 있는 EXAFS 분석법을 사용했다.
활성자리 구조 예시( 정중앙 상단의 아연 원자 하나(핑크색)와 질소원자(파란색) 두개가 결합한 구조가 가장 촉매 반응이 잘 일어난다
이번에는 EXAFS 분석 외에도 XANES 분석법을 추가로 활용해 원자의 종류뿐 아니라 원자의 결합구조도 밝혀냈다. 그 결과 최적화된 촉매 반응 자리가 아연(Zn) 원자 하나에 질소(N) 원자 두 개가 결합된 Zn-N₂구조임을 알아냈다. 또 이 구조의 촉매가 백금(Pt)와 비교해도 산소환원반응 속도가 더 우수하다는 걸 실험을 통해 입증했다. 이 실험 결과는 이론적인 계산 결과와도 잘 일치했다.
백종범 교수는 “성능을 중시하는 기존 촉매 개발에서 벗어나 촉매의 활성 자리를 정확히 규명하는 데 초점을 맞춘 연구”라며 “활성 자리 구조를 위주로 촉매를 설계할 수 있기 때문에 촉매 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것”이라고 기대했다.
공동 제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공학부의 펑 리(Feng Li) 박사는 “아연 원자 한 개에 질소 원자 두 개가 결합한 Zn-N₂ 형태가 산소환원반응 촉매의 이상적인 활성 구조임을 밝혀냈다”며 “이번 연구에 쓰인 방식을 활용하면 다른 전이금속 촉매의 활성 구조를 찾는 데도 도움이 될 것”이라고 전했다.
이번 연구는 저명한 국제학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 6월 13일자로 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), 중국 국가자연과학기금 위원회, 장쑤(JangSu)지방 자연과학위원회의 지원으로 이뤄졌다.
논문명: Identifying the structure of Zn-N₂ active sites and structural activation
