저렴한 소재와 간단한 구조, 그리고 고용량의 에너지를 담을 수 있는 ‘금속-공기전지’의 효율을 높일 기술이 개발됐다. 두 가지 촉매를 함께 써서 성능을 높이는 새로운 아이디어다.
김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀은 금속–공기전지(Metal-Air Battery)의 성능을 높일 새로운 ‘복합촉매(SSC-HG)’를 개발했다. 서로 다른 두 촉매를 함께 쓰면서 시너지(Synergy) 효과를 얻었는데, 이 현상의 원리까지 분석해 앞으로 연구방향도 제시했다.
금속-공기전지는 금속으로 만들어진 ‘연료극’과 산소를 받는 ‘공기극’으로 이뤄진다. 산소를 금속과 반응시키면서(산화) 전기를 발생시키고(방전), 반대로 산화된 금속에서 산소를 분리하면(환원) 전기를 저장할 수 있다(충전). 공기극에 있는 촉매 성능이 좋아야 방전이나 충전이 잘 된다. 주로 백금(Pt)이나 산화이리듐(IrO₂) 등을 고성능 촉매로 썼는데, 귀금속이라 비싸고 희소하며 내구성도 낮아 대규모로 응용하기 어렵다.
귀금속 촉매의 문제를 해결하기 위해 최근에는 페로브스카이트(Perovskite) 물질이나 탄소재료 등을 이용한 새로운 촉매 개발이 추진되고 있다. 특히 두 물질을 함께 쓰면서 촉매 성능을 향상시키는 복합촉매 연구가 활발하다.
복합촉매 제작 과정
김건태 교수팀은 ‘페로브스카이트 산화물(SSC)’과 ‘3차원 질소 도입 그래핀(3DNG)’으로 복합촉매를 만들었다. 두 촉매는 따로 사용해도 일정 수준의 성능을 나타내는데, 둘을 혼합하자 시너지 효과를 나타내며 훨씬 뛰어난 성능을 보였다.
김선아 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “복합촉매를 사용하면 전지 작동환경에 더 유리한 한쪽 촉매만 성능을 발휘하는 게 일반적”이라며 “새로운 복합촉매는 두 촉매가 상호작용하며 전체적인 성능을 높였다”고 설명했다.
연구진은 복합촉매에서 우수한 성능을 보이는 까닭을 밀도함수이론(DFT)로 분석했다. 그 결과 새로운 복합촉매에서는 전기전도도가 좋은 3DNG가 SSC로 많은 전자를 전달하면서 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)에서 활성이 좋아진다는 게 밝혀졌다.
3DNG가 산소 분자에 전자를 전달해 ‘반응 에너지가 큰 산소’를 만들고, 이 덕분에 3DNG와 연결된 SSC 표면의 코발트(Co)에서 산소 분자를 끊는 산소환원반응이 더 잘 일어나게 된다. 반대로 산소 원자를 결합할 때에는 전자를 많이 가진 3DNG가 SSC의 코발트로 전자를 주면서 코발트-산소 공유결합을 강화해 산소발생반응을 더 잘 일으키게 된다.
속이 빈 원통형 촉매인 페로브스카이트 산화물(SSC, 흰색)와 평면 형태인 3차원 질소 도입 그래핀(3DNG, 검정색)이 뒤섞인 복합촉매를 표현했다. 두 물질이 혼합되면 각각 따로 사용할 때보다 월등한 촉매 성능을 보인다.
김건태 교수는 “복합촉매에서 나타나는 시너지 효과는 촉매끼리 전자 이동을 촉진한 결과”라며 “이번 분석을 참고하면 앞으로 더 효율적인 페로브스카이트–탄소재료 복합촉매를 설계할 수 있을 것”이라고 말했다.
그는 이어 “차세대 고용량 배터리로 손꼽히는 리튬-공기전지의 공기극에 값싼 재료로 고성능 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며 “새로운 복합촉매는 성능은 물론 안정성까지도 확보해 금속공기전지 산업에 이바지할 것”이라고 기대했다.
이번 연구에는 UNIST 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수와 이준희 교수가 함께 참여했다. 연구결과는 마이크로‧나노재료 분야의 세계적 권위지인 ‘스몰(small)’ 11월 28일(목) 표지로 선정돼 출판됐다.
