KENTECH·POSTECH, 차세대 연료전지 촉매 성능 저하 원인 규명

오상호·한현 교수 공동연구팀, 용출 금속 나노입자 형성부터 퇴화까지 원자 수준 실시간 관찰

한국에너지공과대학교와 포항공과대학교 공동 연구팀이 차세대 연료전지 및 수전해용 촉매 소재로 주목받는 용출 금속 나노입자의 성능 저하 원인을 원자 수준에서 규명했다. KENTECH 오상호 교수 연구팀과 POSTECH 한현 교수 연구팀은 나노입자가 형성되는 초기 과정부터 장시간 고온 환원 환경에서 퇴화하는 과정까지 실시간 투과전자현미경으로 직접 관찰했다고 밝혔다.

용출은 산화물 내부에 있던 금속이 고온 환원 조건에서 표면으로 올라와 스스로 나노입자를 이루는 현상이다. 이렇게 형성된 입자는 일반적인 증착 방식으로 만든 입자보다 산화물 지지체에 더 단단히 고정돼 안정성이 높은 것으로 알려져 있다. 이 때문에 용출 금속 나노입자는 차세대 연료전지 전극과 수전해 촉매 소재로 주목받아 왔다. 그러나 실제 작동 환경에서는 시간이 지나면서 입자와 주변 산화물 구조가 함께 변하고, 이 과정에서 성능 저하가 발생할 수 있다. 그동안에는 장시간 작동 중 어떤 구조 변화가 촉매 성능 저하로 이어지는지 원자 수준에서 명확히 규명되지 않았다.

POSTECH 한현 교수 연구팀은 결정 구조가 잘 정렬된 에피택셜 산화물 박막을 이용해 용출 과정을 추적했다. 관찰 결과, 초기 용출 단계에서는 니켈 나노입자가 표면으로 나오면서 결정이 어긋나 생기는 역상경계 결함이 함께 사라지는 현상이 확인됐다. 이는 용출이 단순히 금속 입자가 산화물 내부에서 표면으로 이동하는 과정이 아니라, 결정 구조의 재배열과 결함 치유가 동시에 일어나는 복합적인 과정임을 보여준다. 연구팀은 이 결과를 통해 용출 나노입자의 초기 형성과정이 촉매 구조 안정성에 미치는 영향을 구체적으로 설명했다.

장시간 고온 환원 조건에서는 다른 변화가 관찰됐다. 니켈과 스트론튬이 점차 사라지면서 표면에 미세한 함몰이 생겼고, 이후 La2TiO5 2차상이 형성됐다. 연구팀은 실시간 관찰 결과를 바탕으로 이러한 변화를 조성 불균형 구조에서 균형 구조로 바뀌었다가 다시 분해 단계로 넘어가는 과정으로 설명했다. 이번 연구는 용출 나노입자의 성능 저하 원인을 원자 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 있다. 연구팀은 이번 성과가 향후 연료전지와 수전해 장치용 촉매의 초기 활성뿐 아니라 장기 안정성까지 함께 높일 수 있는 재료 설계 전략 마련에 기여할 것으로 기대하고 있다.

오상호 KENTECH 교수는 이번 연구가 용출 촉매에서 나타나는 성능 저하의 근본 원인을 원자 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 있다고 설명했다. 한현 POSTECH 교수는 이번 성과가 용출 촉매의 안정성과 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 재료 설계 전략으로 이어지길 기대한다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘ACS Nano’에 게재됐다. 논문명은 ‘Atomic-Scale Degradation Mechanisms during Nanoparticle Exsolution in Thin Films’이다. 이번 성과는 차세대 에너지 장치용 촉매 개발에서 성능 향상뿐 아니라 장기간 운전 안정성을 함께 고려해야 한다는 점을 보여주는 연구로 정리된다.

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