‘결함’ 많은 물질이 ‘좋은 촉매’ 되는 이유 찾았다

물건은 대부분 빈자리 없이 매끈한 게 좋지만, 연료전지나 물의 전기분해 등의 화학반응을 돕는 ‘촉매’는 반대다. 촉매 속 ‘산소 원자’가 빠진 자리가 많을수록 성능이 좋기 때문이다. 최근 이 현상의 정확한 원리가 밝혀져 우수한 촉매 개발의 길라잡이가 될 전망이다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 김건태· 이준희 교수팀은 후기전이금속(late transition metal)을 이용해 고성능 ‘페로브스카이트 산화물 촉매’를 만들고, 성능이 높아진 원리를 찾아냈다. 촉매 속 산소 빈자리(oxygen vacancy)가 전이금속 구조를 바꿔 화학반응이 더 잘 일어나도록 돕는다는 내용이다. 페로브스카이트 산화물 촉매에서 산소 빈자리의 역할과 효과를 정확하게 규명한 연구로 주목받는다.

페로브스카이트 산화물 촉매는 란탄족, 전이금속, 산소로 구성된다. 이 촉매는 전기가 잘 흐르고, 산소 발생과 환원 양쪽 반응에서 모두 우수한 특징을 가지고 있다. 따라서 충·방전과 같이 반대되는 반응이 꾸준히 일어나는 ‘금속–공기전지’나 ‘연료전지’ 등에 쓰일 후보로 꼽힌다. 기존 백금 등의 귀금속 촉매는 비싸고 안정성이 낮아 대체 촉매 개발이 활발한 상황이다.

그림 1. 산소 빈자리 결함에 따른 전자 에너지 구조 및 촉매 성능 변화

공동연구팀은 이 촉매의 경우 ‘산소 빈자리’가 많을수록 성능이 좋다는 사실에 착안해 새로운 페로브스카이트 산화물 촉매(Sm0.5Sr0.5CoO3−δ ,SSC)를 개발했다. 이와 더불어 촉매의 물질조성이나 표면적, 결정성 같은 물리・화학적 특성을 그대로 둔 채 ‘산소 빈자리만 조절하면서 나타난 변화’를 살폈다. 그 결과 산소 빈자리가 후기전이금속의 최외각 전자껍질(오비탈) 에너지 준위를 바꿔 전체 성능이 높아진다는 것을 알아냈다.

이준희 교수는 “페로브스카이트 산화물 촉매는 산소 빈자리를 만들어 주면 산소 환원 반응(ORR)이 잘 일어난다고 알려졌는데, 이번에 개발한 촉매는 산소 발생 반응(OER)도 잘 일어나는 ‘이기능성(bifuctionality) 촉매’”라며 “촉매에 만들어 준 산소 빈자리가 후기전이금속의 구조를 바꿔 산소 발생 반응(OER)도 촉진한 덕분”이라고 설명했다.

그림 2. 산소 빈자리 결함수에 따른 촉매 성능 변화 그래프

실제로 촉매 속 산소 빈자리의 양을 증가시키면서 성능을 검증한 결과, 산소 빈자리가 늘어날수록 두 반응 모두 촉진됐다. 이는 범밀도 함수 이론(Density Function Theory)를 이용한 이론 계산과도 일치했다.

김건태 교수는 “후기전이금속 산화물에 산소 빈자리를 도입해 효율적인 이기능성 촉매를 만들 수 있다는 걸 보여준 성과”라며 “산소 빈자리 자체가 촉매의 성능을 높이는 게 아니라는 걸 바로잡은 만큼, 새로운 접근법을 이용해 고효율 이기능성 촉매 개발을 가속할 수 있을 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원 사업, 한국동서발전 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 촉매분야 국제학술지 ‘ACS catalysis’에 3월 24일에 온라인으로 공개됐다.