KAIST와 서울대학교 공동연구진이 배터리와 수소연료전지의 성능을 높일 수 있는 새로운 촉매 설계 기술을 개발했다.
KAIST는 화학과 황승준 교수팀이 서울대학교 화학생물공학부 류재윤 교수팀과 공동연구를 통해 배터리와 연료전지 내부에서 전기를 만드는 핵심 반응의 효율을 높일 수 있는 촉매 설계 전략을 제시했다고 1일 밝혔다.
촉매는 화학 반응이 더 빠르고 효율적으로 일어나도록 돕는 물질이다. 배터리나 연료전지에서는 전기를 만드는 반응을 원활하게 하는 역할을 한다. 일반적으로 촉매는 중심 금속과 그 주변을 둘러싼 분자 구조로 구성된다.
기존 연구에서는 촉매 성능을 높이기 위해 금속 종류를 철(Fe)에서 코발트(Co), 니켈(Ni) 등으로 바꾸거나, 금속 주변의 분자 구조인 리간드를 새롭게 설계하는 방식이 주로 사용됐다. 촉매 자체의 재료나 구조를 바꿔 반응 성능을 높이는 방식이다.
이번 연구는 촉매 구조를 크게 바꾸지 않고, 촉매 주변의 전기적 환경을 조절해 성능을 높였다는 점에서 차별성이 있다. 연구팀은 촉매 주변에 양이온을 배치해 작은 전기장을 만들면 전기를 생산하는 핵심 반응이 더 안정적으로 일어나도록 유도할 수 있음을 확인했다.
그 결과 원하는 촉매 반응이 일어나는 비율은 기존 12% 수준에서 최대 52%까지 높아졌다. 연구팀은 이를 통해 기존보다 더 적은 에너지로 원하는 반응을 효율적으로 유도할 수 있음을 확인했다.
이번 연구에서 다룬 산소 환원 반응(ORR)은 수소와 산소의 화학 반응으로 전기를 생산하는 수소연료전지와 금속·공기전지 등 차세대 에너지 장치에서 중요한 반응이다. 해당 반응의 효율을 높이면 배터리와 연료전지의 효율, 수명, 안정성을 개선하는 데 기여할 수 있다.
연구팀은 이번 원리가 이산화탄소(CO₂)나 수소를 다른 유용한 물질로 전환하는 촉매 기술에도 적용될 수 있을 것으로 보고 있다. 향후 이산화탄소 저감 기술과 친환경 수소 생산 기술 등 다양한 차세대 에너지 촉매 개발에 활용될 가능성이 있다는 설명이다.
황승준 KAIST 화학과 교수는 “이번 연구는 촉매 자체의 구조를 바꾸지 않고도 주변의 전기적 환경만으로 반응 특성을 정교하게 제어할 수 있음을 보여준 사례”라며 “차세대 배터리와 연료전지, 친환경 에너지 촉매 기술 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 POSTECH 화학과 조휘율·강봄 박사과정생과 KAIST 김동영 박사후연구원이 공동 1저자로 참여했다. 연구 성과는 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)에 4월 12일 온라인 게재됐다.
헬로티 이동재 기자 |
