김건태 교수팀은 귀금속 촉매의 문제를 해결하기 위해 ‘코발트 산화물(Co₃O₄)’과 ‘철을 포함한 2차원 유기고분자 (Fe@C₂N)’로 복합촉매를 만들었다. Fe@C₂N 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)이 이루는 그물망 위에 코발트 산화물(Co₃O₄)이 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 석‧박사통합과정 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 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수도 함께 참여했다. 연구 결과는 재료과학 분야에서 최고 권위를 자랑하는 ACS Nano 5월 28일(수)자로 출판됐다.

* 논문명: Synergistic Coupling Derived Cobalt Oxide with Nitrogenated Holey Two-Dimensional Matrix as an Efficient Bifunctional Catalyst for Metal-Air Batteries