차세대 촉매 약점 드러났다…켄텍·포스텍, 열화 메커니즘 규명

나노입자 형성부터 붕괴까지 실시간 관찰·확인

용출 나노입자가 형성되고 결정 결함이 치유된 후 장시간 반응 시 표면 함몰과 2차상이 생기며 퇴화되는 과정을 나타낸 모식도. (그래픽=켄텍 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

[나주=뉴시스]이창우 기자 = 차세대 연료전지와 수전해 장치에 쓰일 '용출(exsolution) 촉매'가 왜 시간이 지나면 성능이 떨어지는지에 대한 실마리가 나왔다.

겉보기엔 단단히 고정된 나노입자 구조가 오히려 장기 운전에서는 다른 방식으로 무너진다는 점이 확인됐다.

6일 한국에너지공과대학교(KENTECH.켄텍)와 포항공과대학교(POSTECH.포스텍) 공동 연구진에 따르면 용출 금속 나노입자의 생성부터 열화까지 전 과정을 실시간 투과전자현미경으로 추적해 성능 저하 메커니즘을 원자 수준에서 규명했다.

용출은 산화물 내부 금속이 고온 환원 환경에서 표면으로 이동해 스스로 나노입자를 만드는 현상이다.

기존 증착 방식보다 입자가 지지체에 깊이 박혀 있어 안정성이 높은 것으로 평가돼 왔다.

다만 실제 작동 환경에서는 시간이 지날수록 성능이 떨어지는 문제를 꾸준히 제기해 왔다.

연구진이 들여다본 초기 단계에서는 오히려 안정화에 가까운 변화가 나타났다.

(왼쪽부터) 켄텍 오상호 교수, 포스텍 한현 교수. (사진=켄텍 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

니켈(Ni) 나노입자가 표면으로 나오면서 결정 구조의 어긋남에서 생긴 역상경계(APB) 결함이 함께 사라진 것이다. 입자 형성과 동시에 구조가 정리되는 일종의 '자기 치유' 과정을 관찰했다.

문제는 시간이 지나면서부터다. 고온 환원 상태가 지속되자 니켈과 스트론튬(Sr) 성분이 점차 빠져나가고 표면에는 미세한 함몰이 생기기 시작했다. 이어 새로운 2차상이 형성되며 구조가 다시 불안정해지는 흐름이 이어졌다.

연구진은 이를 "조성 불균형 상태가 일시적으로 정돈됐다가 다시 분해 단계로 넘어가는 과정"으로 해석했다. 결국 용출 촉매의 성능 저하는 단순한 입자 성장이나 뭉침이 아니라 결함 변화와 원소 손실, 표면 구조 재편, 2차상 형성이 이어지는 복합적인 현상이라는 것이다.

오상호 켄텍 교수는 "이번 연구는 용출 촉매에서 나타나는 성능 저하의 근본 원인을 원자 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 있다"고 설명했다.

한현 포스텍 교수는 "이번 성과가 용출 촉매의 안정성과 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 재료 설계 전략으로 이어지길 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구 결과는 나노과학 분야 학술지 ACS Nano에 실렸다.


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