층상 소재에 42종 금속 자유 삽입하는 합성 기술 개발
겹겹이 쌓인 층상 소재 안에 원하는 금속을 손쉽게 삽입해 소재 성능을 전략적으로 조절할 수 있는 합성 기술이 개발됐다. 산업 현장에 필요한 맞춤형 촉매와 이차전지 소재 설계 등 다양한 분야에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
UNIST 신소재공학과 조승호 교수팀은 에너지화학공학과 안광진 교수, 반도체소재·부품대학원 정후영 교수, 서울대학교 한정우 교수팀과 함께 층상 티타네이트(layered titanate)의 층간에 알칼리 금속부터 희토류까지 총 42종의 금속 가운데 원하는 금속을 삽입할 수 있는 새로운 합성 방법을 개발했다고 14일 밝혔다.
층상 티타네이트는 얇은 층이 겹겹이 쌓인 구조의 티타늄 산화물로, 층과 층 사이 공간에 금속 양이온을 수용할 수 있어 배터리 전극이나 촉매 지지체 소재로 주목받아 왔다. 그러나 기존에는 고온 열처리와 강산 세척 과정을 거쳐야 했고, 삽입 가능한 금속 종류도 제한적이라는 한계가 있었다.
연구팀은 수산화암모늄 용액을 활용한 새로운 합성법을 제시했다. 수산화암모늄 용액에 녹아 있는 티타늄 산화물 원료 성분이 화학 반응을 거쳐 층상 구조로 조립되는 상향식 합성 방식으로, 이 과정에서 층 내부에는 수소 이온이 포함된 형태로 구조가 형성된다. 이후 삽입하고자 하는 금속 양이온이 녹아 있는 용액에 해당 소재를 담그면, 층 사이에 있던 수소 이온이 금속 양이온으로 쉽게 치환된다.
이 합성법은 알칼리 금속부터 희토류 금속까지 총 5개 그룹, 42종의 금속 원소를 삽입할 수 있을 정도로 범용성이 높다. 또한 30종 이상의 금속 원소를 동시에 삽입하는 것도 가능해, 조성 제어의 자유도가 크게 향상됐다.
연구팀은 개발한 합성법을 이용해 로듐 촉매 지지체를 제작하고 상용화 가능성도 검증했다. 해당 로듐 촉매를 플라스틱과 세제 등의 기초 원료를 합성하는 ‘프로필렌 하이드로폼일화’ 반응에 적용한 결과, 층상 티타네이트 내부에 칼륨 금속을 삽입한 경우 상용 로듐 촉매 대비 반응 효율(TOF)이 3배 이상 높게 나타났다. 연구팀은 이러한 고성능의 원인도 이론 계산을 통해 규명했다.
공동 연구팀은 “이번 연구는 새로운 소재 하나를 합성한 데 그치지 않고, 42종의 금속 원소를 자유롭게 활용할 수 있는 방대한 라이브러리를 구축할 수 있는 기반 기술이라는 점에서 의미가 크다”고 설명했다. 이어 “촉매 공정의 생산성 향상과 비용 절감은 물론, 이차전지나 커패시터와 같은 차세대 에너지 저장 소재의 성능 개선에도 즉각적으로 적용할 수 있어 향후 파급 효과가 클 것으로 기대된다”고 덧붙였다.
이번 연구에는 UNIST 신소재공학과 김효석 연구원, 에너지화학공학과 오대원 연구원, 서울대학교 재료공학부 김미연 연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 재료 분야의 저명 국제 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 지난달 26일 온라인 게재됐다.
연구는 UNIST와 과학기술정보통신부 한국연구재단, UNIST 이노코어(InnoCORE) 프로그램, 산업통상자원부 한국산업기술기획평가원, 울산RISE센터, 한국기초과학지원연구원의 지원을 받아 수행됐다.
헬로티 이창현 기자 |
