백금 사용량 90% 줄인 단일원자 촉매 개발

이현주·한정우 교수 공동연구팀
기존 촉매보다 활성 최대 50배↑

카이스트(KAIST) 생명화학공학과 이현주(42) 교수와 서울시립대 한정우 교수 공동연구팀은 연료전지 등에 필수적인 백금 사용량을 10분의 1로 줄인 백금 단일원자 촉매를 개발했다고 24일 밝혔다. 카이스트 김지환 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’(Advanced Energy Materials) 9월11일자 온라인판에 실렸다.

왼쪽은 이현주 교수, 오른쪽은 김지환 학생

백금 촉매는 활성과 안정성이 높지만 가격이 비싸고 희소해 사용량을 최대로 줄이는 것이 중요하다. 그 돌파구인 단일원자 촉매는 백금 입자를 원자 단위로 줄여 가격을 획기적으로 낮출 수 있지만 배위수(coordination number·중심 원자를 둘러싼 다른 원자들의 개수)가 낮고 표면자유에너지가 높아 쉽게 뭉치고 안정성이 떨어진다는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 극복하고자 금속 원소인 안티몬이 첨가된 주석산화물(ATO) 위에 백금 단일원자가 주석과 합금 형태로 존재하는 구조를 만들었다. 이 백금 단일원자는 안티몬-주석 합금 구조에서 안티몬의 자리를 대신해 열역학적으로 안정적으로 존재하는 것으로 나타났다.

특히 포름산 산화 반응에서 기존 백금 촉매보다 활성이 최대 50배 이상 높았고, 장기안정성도 뛰어났다. 연구팀은 포름산 연료전지에 적용한 결과 기존 촉매에 쓰이는 백금의 10분의 1 정도만 사용해도 비슷한 출력을 얻을 수 있었다.

대전=임정재 기자 [e-mail]