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백금 능가하는 철 촉매 개발했다
유기고분자로 철 감싸 안정성 ↑, 성능 유지
2월 7일자 JACS 표지. 철을 2차원 망상 유기고분자(Aza-PON)으로 완벽하게 감싸는 과정을 표현했다. 이렇게 만들어진 촉매는 반응물과 직접 접촉하지 않아도 촉매 성능이 우수했다.
국내 연구진이 비싼 귀금속인 ‘백금’ 대신 철을 누에고치처럼 완벽하게 감싸 안정적으로 보호하는 촉매를 개발하는데 성공했다.

UNIST(총장 정무영)는 백종범 에너지 및 화학공학부 교수팀과 김건태 교수팀이 2차원 유기고분자를 이용해 백금을 능가하는 철 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

연료전지의 화학 반응을 위해선 백금 등이 촉매로 반드시 들어간다.백금은 쉽게 반응하지 않는데다 촉매로서도 우수한 성능을 보인다.

하지만 귀금속이라 비싼데다 매장량의 한계가 있고, 오래 사용하면 녹아버리는 등 안정성도 낮아 백금을 대체하려는 시도가 꾸준히 진행됐다.

이에 백종범 교수팀은 백금을 대체할 물질로 값싼 철을 이용하는 방법을 찾았다. 철을 2차원 유기고분자(C₂N)로 꽁꽁 감싸서 다른 물질과 녹슬지 않도록 안정성을 확보한 것이다. 백금과 동일한 성능을 가지며 반영구적으로 쓸 수 있는 안정성까지 확보했다.

논문의 제1저자인 자비드 마흐무드 UNIST 에너지공학과 박사는 “2차원 유기 구조체의 질소 원자로 철 이온을 고정시킨 다음 열처리하면 철을 완벽하게 감싼 누에고치 구조가 된다”며 “이 구조가 새로운 철 촉매 성능의 열쇠”라고 설명했다.

JACS 논문의 제1저자인 김석진 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 “철 기반의 다른 촉매와 비교하자 구조적인 차이가 드러났다”며 “다른 촉매와 달리 2차원 구조체가 철을 감싸면서 완벽한 탄소층이 얇게 형성돼 안정성이 높아진 것”이라고 말했다.

백종범 교수는 “이번 기술은 연료전지와 금속-공기전지의 상업화에 가장 큰 걸림돌인 귀금속 촉매의 가격과 안정성 두 마리 토끼를 한 번에 잡았다”며 “다른 금속을 이용해 광범위하게 응용할 가능성도 제시해 더 연구한다면 다른 반응의 촉매에도 적용 가능할 것”이라고 말했다.

그는 이어 “백금을 대체할 정도로 우수한 철 촉매를 개발한 이번 기술은 ‘현대판 연금술’이라고 불릴 정도로 새로운 발견”이라며 “반응물질과 직접 접촉하지 않더라도 촉매 작용이 가능한 새로운 과학적 현상을 처음 입증하면서 전 세계에 우리나라의 우수한 연구역량도 알렸다”고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업(창의연구)과 교육부-한국연구재단이 주관하는 BK21플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), 중견연구자지원사업 및 기후변화사업을 통해 이뤄졌다. 이 내용은 ‘나노 에너지(Nano Enegy)’ 2월호에 출판됐다.

또한 세계적인 과학저널 ‘나노 에너지(Nano Energy)’와 ‘미국화학회지(JACS)’에 연달아 출판됐다. 미국화학회지(JACS)는 이번 연구를 최신호 표지로 선정했다.

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