주메뉴바로가기.. 본문바로가기

금속공기전지 효율 높여줄 새 복합촉매 개발

카카오스토리 네이버밴드 구글플러스

2018년 12월 02일 00:00 프린트하기

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 개발한 새로운 복합촉매의 구조. 원통형 촉매인 페로브스카이트 산화물(SSC·흰색)과 평면 형태인 3차원 질소 도입 그래핀(3DNG·검정색)이 뒤섞인 형태다. 두 물질이 혼합되면 각각 따로 사용할 때보다 월등한 촉매 성능이 나타난다. - UNIST 제공
울산과학기술원(UNIST) 연구진이 개발한 새로운 복합촉매의 구조. 원통형 촉매인 페로브스카이트 산화물(SSC·흰색)과 평면 형태인 3차원 질소 도입 그래핀(3DNG·검정색)이 뒤섞인 형태다. 두 물질이 혼합되면 각각 따로 사용할 때보다 월등한 촉매 성능이 나타난다. - UNIST 제공

국내 연구진이 저렴한 소재와 간단한 구조로 고용량의 에너지를 저장할 수 있는 ‘금속-공기전지’의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 촉매를 개발했다.

 

김건태 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수팀은 같은 학부의 조재필 교수, 이준희 교수와 함께 금속-공기전지의 성능을 한층 높여 주는 ‘복합촉매(SSC-HG)’를 개발했다고 2일 밝혔다.
 
금속-공기전지는 금속으로 만들어진 연료극과 산소를 받는 공기극으로 이뤄진 전지다. 금속과 산소의 산화반응을 통해 전기가 발생하고 반대로 산화된 금속에서 산소를 분리하는 환원반응을 통해 전기를 저장하는 원리다. 공기극에 있는 촉매 성능이 우수할수록 이런 방전이나 충전이 잘 된다. 그동안은 주로 백금(Pt)이나 산화이리듐(IrO₂) 등을 고성능 촉매로 썼는데, 귀금속인 만큼 비싸고 내구성도 낮아 대규모로 활용하기가 어려웠다.

 

이런 가운데 연구진은 ‘페로브스카이트 산화물(SSC)’과 ‘3차원 질소 도입 그래핀(3DNG)’으로 복합촉매를 만들었다. 두 촉매는 따로 사용해도 일정 수준의 성능을 나타내는데 연구진은 둘을 혼합해 사용할 경우 시너지 효과를 나타내며 훨씬 더 뛰어난 성능을 보인다는 사실을 발견했다. 김선아 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “복합촉매를 사용하면 전지 작동환경에 더 유리한 한쪽 촉매만 성능을 발휘하는 게 일반적인데, 이번에 개발한 새로운 복합촉매는 두 촉매가 상호작용을 하며 전체적인 성능이 높아지는 결과로 이어졌다”고 설명했다.

 

연구진은 복합촉매에서 이 같은 우수한 성능이 나타나는 원인을 밝히기 위해 밀도함수이론(DFT)을 활용했다. 그 결과 새로운 복합촉매에서는 전기전도도가 좋은 3DNG가 SSC로 많은 전자를 전달하면서 산화-환원반응의 활성이 증가하는 것으로 나타났다. 3DNG가 산소 분자에 전자를 전달해 반응 에너지가 큰 산소를 만들고, 덕분에 3DNG와 연결된 SSC 표면의 코발트(Co)에서 산소 분자를 끊는 환원반응이 더 잘 일어나게 된 것이다. 반대로 산소 원자와 금속이 결합할 때(산화반응)는 전자를 많이 가진 3DNG가 SSC의 코발트로 전자를 주면서 코발트-산소 공유결합을 강화해 주는 것으로 나타났다.

 

김 교수는 “복합촉매에서 나타나는 시너지 효과는 촉매끼리 전자 이동을 촉진한 결과”라며 “이번 분석을 참고하면 앞으로 더 효율적인 페로브스카이트-탄소재료 복합촉매를 설계할 수 있을 것”이라고 기대했다. 그는 “차세대 고용량 배터리로 손꼽히는 리튬-공기전지의 공기극에 값싼 재료로 고성능 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것”이라고 덧붙였다.

 

연구 결과는 국제학술지 ‘스몰’ 11월 28일자 표지논문으로 게재됐다.

카카오스토리 네이버밴드 구글플러스

2018년 12월 02일 00:00 프린트하기

 

혼자보기 아까운 기사
친구들에게 공유해 보세요

네이버밴드 구글플러스

이 기사가 괜찮으셨나요? 메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

10 + 5 = 새로고침
###
과학기술과 관련된 분야에서 소개할 만한 재미있는 이야기, 고발 소재 등이 있으면 주저하지 마시고, 알려주세요. 제보하기

관련 태그뉴스