국내·외 나노기술 최신 동향

국내 주요 나노기술 정책·기술개발 동향 제공

철 나노입자의 용출을 활성화한 고성능 복합 용출 나노촉매 개발

페이지 정보

발행기관
울산과학기술원(UNIST)
저자
 
종류
R&D
나노기술분류
나노에너지·환경
발행일
2021-12-12
조회
186

본문

● 울산과학기술원(UNIST) 김건태 교수, 포항공과대학교 한정우 교수, 금오공과대학교 최시혁 교수 공동연구팀이 고체산화물 연료 전지의 핵심인 고성능 복합 용출 나노 촉매를 개발

● 촉매 입자 내부에서 표면으로 용출된 철 나노입자는 촉매 성능을 향상시키고, 촉매끼리 뭉치는 현상도 방지

● 연료전지는 수소나 탄화수소만으로 물과 전기를 만드는 친환경 발전장치로 그 중 고체산화물 연료전지는 생산이 까다로운 수소 대신 탄화수소를 바로 사용할 수 있지만, 연료전지의 성능은 탄화수소와 산소 간 화학반응을 촉진하는 촉매가 결정하기 때문에, 고성능 촉매 개발이 필수적임.

● 이에 연구팀은 고성능 철 용출 촉매를 만드는 최적의 원소와 원소 간의 비율을 계산 모델링을 통해 알아낸 끝에, 기존 용출 촉매와 비교해서 철 나노입자가 촉매 표면으로 더 작고 균일하게 올라올 수 있는 촉매를 개발

● 현재까지 용출이 가능한 촉매는 페로브스카이트 결정구조를 가지며, 이는 다시 망간(Mn) 금속계와 철(Fe) 금속계로 나뉘는데, 철 금속계 자체의 성능은 망간 금속계에 비하여 더 뛰어나지만 철 입자를 용출시키는 것이 어려웠던 상황

● 이를 해결하기 위해 일반 페로브스카트 이중층 산화물 촉매를 특수한 형태의 이중층 페로브스카이트(Ruddlesden-Popper)로 완벽히 상전이 시켜 철 금속을 많이 용출시킴.

● 개발된 촉매를 고체산화물 연료전지의 양쪽 전극으로 활용해 수소 연료를 주입했을 경우, 700°C에서 200시간 동안 약 0.5Wcm2의 전력을 안정하게 생산하였고, 해당 촉매를 고체산화물 공전해 전지로 작동시켜 합성 가스를 생성하는 반응에 사용했을 때 시간당 30 ml/cm2의 수소와 약 650ml/cm2의 일산화탄소를 생성.

● 연구팀은 환원 분위기(산소가 부족한 환경)에서 페로브스카이트 산화물의 상전이에 영향을 주는 주요 요인을 최초로 발견해 고성능 촉매를 개발할 수 있었고, 해당 용출 촉매는 연료전지뿐만 아니라 합성 가스를 생산하는 전해전지 등에도 응용할 수 있을 것으로 기대

 

용어설명

- 고체 산화물 전지(Solid oxide cell): 세라믹 계열을 전해질로 사용하여 수소와 공기만으로 전기를 생산하거나 물과 이산화탄소를 수소와 일산화탄소로 전기 분해하는 전기화학적 장치

- 용출(Exsolution): 환원 분위기에서 페로브스카이트 산화물의 전이 금속 양이온이 금속 형태로 표면에 올라오는 현상

- 상전이(Phase reconstruction): 특정한 환경에서 한 물질의 상(원자 배열 등)이 급격하게 변하는 현상으로 상전이 따라 같은 원소로 이뤄진 고체라도 자성, 전기전도도 등이 바뀌는 것이 가능

 

Nature Communications) 게재(2021.11.24.), “Unveiling the key factor for the phase reconstruction and exsolved metallic particle distribution in perovskites

산업통상자원부, 한국연구재단 지원

이메일 등록하기
이메일
등록하신 이메일 주소로 센터 간행물 등 자료를 받으시겠습니까?