카이스트, 강한 빛에서 0.02초 내 신개념 촉매 합성 성공

물 분해 반응·가스 센서 등 촉매 제조
비용 획기적으로 줄일 것으로 기대

국내 연구진이 짧고 강한 빛으로 연료전지에 들어가는 촉매를 쉽고 빠르게 만들어냈다. 연구진은 이 방법을 통해 물 분해 반응이나 가스 센서 등에 들어갈 촉매의 제조 공정 비용을 획기적으로 줄일 것으로 기대하고 있다.

카이스트는 강한 빛을 다양한 탄소 기반 소재에 조사해 0.02초 이내에 나노입자 촉매와 단일원자 촉매를 합성하는데 성공했다고 6일 밝혔다. 대면적의 빛을 활용해 대기 중에서 0.02초 이내에 고엔트로피 촉매 및 단일원자 촉매의 합성한 것은 세계 최초다.

공동 연구를 진행한 최성율 카이스트 전기 및 전자공학부 교수 연구팀과 김일두 카이스트 신소재공학과 교수 연구팀은 지난 2022년 제논 램프 빛을 조사해 금속산화물의 상 변화와 함께 표면에 촉매 입자가 생성될 수 있음을 최초로 밝힌 바 있다.

이후 연구팀은 탄소 나노섬유, 그래핀 산화물, 맥신(Mxene)과 같은 광열효과가 뛰어난 소재에 다종의 금속 염을 고르게 섞어주고 빛을 가하는 연구를 진행했다. 이에 1800~3000℃의 초고온과 105℃/s의 매우 빠른 승·하온 속도를 기반으로 최대 9성분계의 합금 촉매를 합성할 수 있음을 밝혔다.

연구진은 “합금 촉매는 연료전지, 리튬-황전지, 공기 전지, 물 분해 수소 생산 등 저장 및 발전에 광범위하게 적용되며, 비싼 백금의 사용량을 획기적으로 줄이는데 유리하다”고 설명했다.

연구팀은 광열효과를 통해 단일원자 촉매의 신규 합성법에도 성공했다. 그래핀 산화물에 멜라민 및 금속염을 동시에 혼합헤 빛을 조사하게 되면 단일원자 촉매가 결합된 질소 도핑 그래핀을 합성할 수 있음을 최초로 밝혔다. 백금, 코발트, 니켈 등의 다양한 단일원자 촉매가 고밀도로 결착돼 다양한 촉매 응용 분야에 활용할 수 있다.

최성율 교수는 “강한 빛을 소재에 0.02초 쪼여주면 간편한 합성기법을 통해 단일 원소 촉매부터 다성분계 금속 나노입자 촉매의 초고속, 대면적 합성을 가능하게 하는 새로운 촉매 합성 공정 플랫폼이 될 것”이라고 말했다.

김일두 교수는 “매우 빠른 승하온 속도를 기반으로 기존에 합성하기 어려웠던 고엔트로피 다성분계 촉매 입자를 대기 중 조건에서 균일하게 합성해 고성능 물 분해 촉매로 응용했다는 점에서 매우 의미있다”며 “응용 분야에 따라 촉매 원소의 크기와 조성을 자유롭게 조절해 제작할 수 있는 신개념 광 기반 복합 촉매 소재 합성 플랫폼을 구축했다”고 설명했다.

이번 연구 결과는 나노 분야의 권위적인 학술지인 ‘어드밴스드 매트리얼즈(Advanced Materials)’에 발표됐으며, 11월호 속표지 논문에 선정됐다. 또한 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 12월호에 속표지 논문으로 출간될 예정이다.

최성율 카이스트 전기및전자공학부 교수

김일두 카이스트 신소재공학과 교수