^*상(phase): 물질은 크게 고체,액체, 기체상으로 나뉜다. 이 중 특정 고체는 이를 구성하는 원자들의 배열 모양에 따라 서로 다른 상을 갖고 물리·화학적 성질이 달라진다. 물질은 고온에서 가열하면 원자 배열이 바뀌면서 상이 변한다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

연료전지는 지속가능한 청정에너지 사회를 실현하기 위한 열쇠가 되는 가장 유망한 에너지 변환 장치중 하나이다. 특히, 반응속도가 느린 산소환원반응을 위한 고성능·고내구성 촉매의 개발은 연료전지 분야에서 가장 중요한 이슈이다. 현재 가장 우수한 활성을 보이는 촉매는 잘 정의된 나노 구조를 가지는 백금계 합금 촉매이다. 특히, 나노프레임, 나노케이지 등을 포함하는 중공(가운데가 뚫린 구조) 나노구조는 비표면적이 크고 우수한 분자 접근성에 의해 고유활성이 매우 뛰어난 고급 촉매로서 주목받고 있다. 그러나, 이러한 나노프레임 촉매들은 골격이 너무 얇아 화학적으로 불안정하여 금속의 부식 및 용해에 취약하고, 이는 낮은 촉매 내구성으로 이어진다.

한편, 최근 백금계 금속간화합물 촉매가 연료전지 대중화를 가속화할 새로운 촉매 후보군으로 각광받고 있다. 금속간화합물 촉매는 같은 조성의 합금 촉매보다 더 향상된 활성과 내구성을 보인다. 금속간화합물 소재가 가지고 있는 규칙적으로 정렬된 원자 배열은 구성 원소들 간의 상호작용을 극대화시켜 불규칙하게 배열된 합금상과 비교할 때 더 높은 촉매 활성과 화학적 안정성을 이끈다. 이에 따라 고결정성의 금속간화합물 상과 활성이 높은 나노프레임 구조의 융합은 촉매 활성의 비약적인 향상을 이끌 것으로 예측되었지만, 이는 매우 도전적인 과제였다. 일반적으로 합금 ⟶ 금속간화합물의 상전환은 높은 에너지를 요구하여 500 ℃ 이상의 고온에서 수행된다. 따라서, 정교한 나노구조의 변형에 따른 표면적 감소 및 촉매 성능 저해가 불가피하였다.

2. 연구내용  

본 연구에서는 산소환원반응을 위한 고성능·고내구성 백금-구리 금속간화합물 나노프레임 촉매(O-PtCuNF/C)를 최초로 개발하였다. O-PtCuNF/C는 백금-구리 합금 나노프레임 촉매(D-PtCuNF/C)에 실리카 보호층을 코팅한 후 실리카 보호층 내부에서 고온 열처리를 하여 상 전환을 유도하여 합성되었다. 실리카 보호층은 나노프레임의 정교한 구조의 변형을 방지하면서, 금속간화합물로의 상 전환을 촉진하였다.

결과적으로 표면적이 매우 높은 금속간화합물 나노프레임 촉매가 합성되었으며, 상용 백금 촉매와 D-PtCuNF/C 촉매보다 더 높은 촉매 성능을 보였다. 특히, O-PtCuNF/C 촉매의 촉매 성능은 백금-구리 기반의 유사 촉매들보다 더 우수한 것을 확인하였다.

뿐만 아니라, O-PtCuNF/C 촉매는 10,000 사이클의 가속열화(劣化)시험 이후 D-PtCuNF/C와 상용 촉매보다 더 높은 성능을 보존하여 뛰어난 내구성을 입증하였다. 또한, O-PtCuNF/C 촉매는 가속열화시험 이후에 가장 적은 양의 금속 용출을 보여 우수한 화학적 안정성을 확인하였다.

3. 기대효과  

이 연구에서는 최초로 정교한 나노구조를 가지는 금속간화합물 촉매 설계 원리를 제시하였다. 합성된 금속간화합물 나노프레임 촉매는 산소환원반응에 대해 우수한 촉매 성능·내구성을 보였으며, 특히 나노프레임을 포함하는 나노 촉매들의 실제 적용에 있어 근본적인 취약점이었던 내부식성·화학적안정성을 크게 개선할 수 있었다. 따라서 본 연구로부터 얻어진 설계 방법론은 나노 촉매의 단위전지 적용 및 고성능 연료전지 시스템 구축에 대한 가이드라인을 제시할 수 있을 것이라 사료된다. 또한, 해당 합성법은 다양한 조성의 촉매에도 적용될 수 있어 차후 더 폭넓은 분야에서 더 개선된 금속간화합물 촉매의 개발을 가속화할 것으로 예상된다.

[붙임] 용어설명

1.산소환원반응

외부에서 유입된 산소와 수소 및 전자가 만나 물이 되어 나오는 친환경 배출과정으로, 연료전지의 핵심 촉매반응이다

[붙임] 그림설명

그림1. 금속간화합물 나노프레임 촉매의 투과전자현미경 사진

그림2. 금속간화합물 나노프레임 촉매의 합성 전략. 합성 과정 모식도(상)와 합성 단계별 대표 투과전자현미경 사진(좌하: 합금 나노프레임 촉매, 중하: 합금 나노프레임-실리카 복합체, 우하: 금속간화합물 나노프레임 촉매)

그림3. 가속열화(劣化)시험 전후 촉매성능 비교 그래프(좌)와 가속열화시험 후 전해질에 용출된 금속 종의 함량 비교 그래프(우)