기초과학

중국과기대 다중금속 나노튜브 및 복합나노촉매제 설계 및 제작 진전

발행일 : 2011 / 06 / 17

환경의식이 강화되고 자연자원에 대한 인식이 깊어지면서 화석에너지 등 재생불가능자원에 대한 의존도를 줄이기 위한 저오염 고효율 연료전지의 연구가 주목받고 있다. 하지만 연료전지촉매제의 비용이 높고 반응활성이 낮으며 안정성이 떨어지는 등의 단점으로 인해 산업화응용이 제약받고 있다.

최근 몇 년 중국과기대의 위수훙(兪書宏)교수가 이끄는 과제팀은 촉매제의 계면작용 및 표면원자구조와 성분에 대한 조절제어를 통해 타당한 신형의 촉매제 재료설계의 새로운 경로를 모색하였고, 연료전지 나노촉매제의 계면과 표면설계에서 성과를 올렸다. 관련 연구결과는 Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci., Adv. Mater., ACS Nano, Chem. Commun., J. Mater. Chem. 등 많은 저널에 발표되었다.

금속/산화물계면은 전자구조가 변화되기에 촉매제의 촉매활성이 효과적으로 높아진다. 하지만 전기화학적 환경에서 非귀금속의 서로 다른 산화상태의 촉매활성에 미치는 영향에 대해서는 검증하기 매우 힘들며 동시에 촉매제의 전기화학적 산화환원반응활성을 높이고 과산화수소의 부식을 극복하며, 불완전 환원으로 인한 에너지손실은 모두 시급히 해결해야 할 문제로 나서고 있다. 이러한 배경에서 연구팀은 셀프지원형(self-supporting) 다중금속 촉매제 나노튜브의 제조기술을 발전시켰고 Pd-Au-Cu 성분의 신형의 나노입자튜브 촉매제를 합성하는데 성공하였다. 이 촉매제는 높은 비표면적과 전기화학적 활성을 지닌다. Pd-Cu 성분비교결과 금(Au)을 첨가하면 구리(Cu)원소의 산화동의 형성을 촉진하지만 금(Au) 원소를 첨가하지 않으면 Pd-Cu 성분은 산화제일동을 형성하는 경향이 강한 것으로 나타났다. 연구를 통해 산화동은 산소흡착에 더욱 유리하며 게다가 전자수송의 매개체로서 산화환원능력을 높인다는 것을 발견하였다. 또한 이 3차원 촉매제는 과산화수소의 환원에 대한 촉매작용이 뛰어나며 과산화수소에 대한 내부식성도 띤다는 것도 발견하였다. 따라서 촉매제는 산소환원과 과산화환원의 이중기능을 지니며, 산소/과산화 환원의 촉매제로 삼을 수 있어, 산소가 수용액에서 용해도가 한정된 문제(과산화수소는 용액에서 매우 높은 농도를 유지할 수 있음)를 극복하였고 촉매효율을 높였다.(그림1,2) 이 연구성과는 영국 ‘화학통신’과 독일 ‘응용화학’(Chem. Commun. 2010, 46, 940-942; Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9149-9152)에 발표되었다.

연구팀은 계면 제어성 Pd-Au 나노입자튜브촉매제를 설계하여 귀금속 계면의 촉매활성에 미치는 영향을 연구하였다. 이 촉매제는 전기촉매 에틸알코올 산화의 촉매활성을 뚜렷이 높였고 강한 안정성을 나타내었다. 연구결과, 전기촉매활성의 제고는 독립된 금속성분과는 직접적인 선형 비례관계를 나타내지 않으나 바이메탈(쌍금속) 이질계면과는 직접적인 관계가 있음을 발견하였다. 금(Au)성분이 증가되고 계면의 수량이 증가되면서 금속-금속계면과 표면의 전자구조가 변화되기에 촉매제의 전기촉매활성에 영향을 미쳤다. 따라서 재료설계를 통해 촉매활성이 높아지는 근본적인 원인이 전자구조의 변화(계면작용)로 인한 것임을 실험으로 입증하였다. 이러한 효과는 촉매활성과 계면구조간의 관계를 이해하는데 도움이 되며 고효율 촉매제 재료를 설계하는데 근거와 참조가 된다. 관련 연구성과는 미국화학회 ACS Nano 2011, 5, 4211-4218에 발표되었다.

연구팀은 또 멀티스텝 템플릿방법을 고안하여 최초로 셀프지원형 Pt 나노선/박막의 거시적 제작을 하였고(macroscopic quantity preparation), 연료전지촉매제 재료로서의 Pt박막의 탁월한 성능을 선보였다.(그림3,4) Pt 나노선/박막의 산화환원촉매활성은 각각 Pt/C와 Pt 블랙의 2.1와 1.8배이다. 상용화된 촉매제와 비교하였을 때 셀프지원형 Pt나노선/박막 촉매제는 안정성을 크게 높였으며, 고효율 양성자 교환막 연료전지의 개발을 위한 기반을 다졌다. 이 연구는 독일의 ‘선진재료(Adv. Mater)’(Adv. Mater. 2011, 23, 1467-1471)에 의해 ‘매우 중요한 논문’으로 평가되었다.