▲ 원자분해능 토모그래피 분석법을 통해 밝혀낸 준안정 팔라듐 수소화물 나노입자의 의 3차원 원자구조 및 준안정상 나노입자 생성과정 모식도

국내 연구진이 세계 최초로 팔라듐 수소화물의 존재와 생성원리를 밝혀 수소, 리튬 등 경량 원소를 함유하는 합금소재의 새로운 합성 방법론을 제시했다.

한국과학기술연구원(원장 윤석진, 이하 KIST)은 청청신기술연구본부 천동원 박사팀이 새로운 준안정상 팔라듐 수소화물(PdHx) 소재 개발과 생성 기전을 규명하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

이번 연구 결과는 ‘네이처’(Nature, IF 49.962)지 최신호에 게재됐으며 수소연료전지와 저장장치 등 친환경 에너지소재 개발을 향한 국제사회의 움직임이 더욱 가속화될 전망이다.

‘준안정상’(metastable phase) 물질이란 열역학적 에너지가 안정상보다 높지만, 안정상으로 변화하는데 필요한 에너지의 양이 매우 커 준안정 상태로 존재하는 물질이다.

다이아몬드와 흑연이 대표적인 예다. 다이아몬드와 흑연은 같은 탄소로 이뤄져있지만 일반 대기압과 상온에서 흑연은 안정상(stable phase), 다이아몬드는 준안정상(metastable phase)으로 존재한다. 열역학적으로 에너지가 높고 불안정한 상태인 다이아몬드가 낮은 에너지와 안정한 상태의 흑연으로 변화하려면 매우 큰 에너지가 필요하다.

KIST 연구진은 백금 수준의 촉매작용과 수소 흡수성질로 차세대 수소에너지 핵심소재인 팔라듐에 주목했다. 연구진은 투과전자현미경 액상 셀 내부에 수소가 충분한 수소분위기를 조성하고 팔라듐 결정을 성장시켜 새로운 결정구조를 갖는 준안정상 팔라듐 수소화물을 직접 합성하는데 성공했다.

개발된 준안정상 팔라듐 수소화물은 안정상 소재보다 우수 열안정성과 수소저장 성능이 2배에 가깝게 확인됐다.

연구진은 개발한 준안정 금속 수소화물 합성법의 과학적 근거 마련을 위해 2차원 전자현미경 이미지들을 3차원 이미지로 재구성하는 원자분해능 전자토모그래피 분석법으로 나노미터 크기의 금속 수소화물 결정을 분석했다. 또 3차원 구조의 준안정상 팔라듐 수소화물이 열역학적으로 안정적임을 증명했다.

KIST 천동원 박사는 “준안정상 소재합성방법론으로 경량원소 포함 합금신소재 개발의 중요한 원천기술을 마련했다”며 “추가 연구를 통해 수소, 리튬 등을 저장할 수 있는 준안정상 기반 친환경 에너지소재 개발과 반도체 산업의 핵심기술 초크랄스키 공정처럼 소재 혁신의 전기가 되도록 노력하겠다”고 밝혔다.