한국에너지기술연구원 수소연료전지연구실 박구곤·권용민·이은직 박사 연구팀이 인체에 유해한 일산화탄소를 이용해 금속을 0.3나노미터(머리카락 굵기의 30만분의 1) 수준에서 정밀 제어하는 기술을 개발했습니다.

이 기술을 활용하면 연료전지 경제성을 좌우하는 코어-쉘(Core-shell) 촉매를 기존보다 쉽고 빠르게 대량 생산할 수 있습니다.

코어-쉘 촉매는 알맹이(코어)와 껍질(쉘)을 서로 다른 금속으로 만든 촉매입니다.

대체로 내부 알맹이는 저가 금속을 활용하고 겉 껍질에 백금을 입혀 고가의 백금을 최소량만 사용하면서도 성능을 유지할 수 있습니다.

고성능 코어-쉘 촉매를 만들려면 코어 표면에 두께 0.3나노미터 수준의 쉘을 매우 정밀하게 입혀야 합니다.

기존에는 코어 표면에 구리를 원자층으로 얇게 깔고 그 위에 백금을 올리는 언더포텐셜 구리 증착법(Cu-UPD)을 사용했지만, 정밀한 전압 조절, 산화물 제거 공정, 별도 환원제 등이 필요해 대량 생산 과정이 복잡하고 시간이 오래 걸렸습니다.

연구진은 이를 대신해 일산화탄소의 산화·환원 반응을 이용한 일산화탄소 흡착 유도 증착법(CO AID)을 개발했습니다.

연구진은 일산화탄소의 강한 금속 흡착력에 주목해 코어 금속 표면에 CO를 단일 분자층으로 흡착시킨 뒤 분자 층위에 백금 입자만 선택적으로 환원시키는 방식으로 쉘 두께를 0.3나노미터 수준으로 정밀하게 제어하는 데 성공했습니다.

이를 이용하면 별도의 추가 공정이나 환원제 없이도 최소 30분에서 최대 2시간 이내에 킬로그램 단위 코어-쉘 촉매 합성이 가능해 24시간 이상 걸리던 기존 공정 시간을 10분의 1 수준으로 줄였습니다.

연구진은 이를 토대로 팔라듐·금·이리듐 등의 금속 코어 위에 백금을 얇게 입힌 코어-쉘 촉매를 제작했습니다.

이 가운데 팔라듐 기반 백금 코어-쉘 촉매는 상용 백금/탄소 촉매 대비 산소·환원반응은 약 2배, 내구성은 1.5배 향상된 성능을 보였습니다.

권용민 박사는 "일산화탄소라는 간단한 분자를 활용해 금속 나노입자 표면을 원자층 수준에서 제어할 수 있다는 점에서 연료전지 촉매 제조 공정은 물론, 반도체·박막 소재 등 나노 소재 제조 기술 전반에 파급력이 클 것"으로 내다봤습니다.

이번 연구 결과는 나노·재료 분야 국제 학술지 ACS Nano 11월호에 속표지로 선정됐습니다.

TJB 대전방송