이세현 성신여대 교수, 순간 열처리로 연료전지, 배터리 성능 향상 기술 개발

이세현 성신여대 청정융합에너지공학과 교수

순간 열처리를 이용한 철 단일원자 촉매 합성 메커니즘

성신여자대학교는 청정융합에너지공학과 이세현 교수가 연료전지, 금속-공기 배터리에서 높은 성능을 발휘하는 단원자 촉매를 개발했다고 27일 밝혔다. 이번 연구 결과는 재료과학 분야 최상위 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF27.4)'에 권두삽화(Frontispiece)로 선정돼 2024년 8월호에 게재됐다.

이세현 교수가 발표한 논문은 "금속-공기 이차전지와 연료전지 성능 향상을 위해 순간 열에너지 기법으로 제작한 단원자 촉매 합성 연구(Instantaneous Thermal Energy for Swift Synthesis of Single-Atom Catalysts for Unparalleled Performance in Metal&Air Batteries and Fuel Cells)"이다. 이번 연구는 연료전지와 배터리 기술의 상용화에 있어 중요한 기술적 도약을 이뤘다는 점에서 학계의 이목을 끌었다.

연료전지와 배터리 기술은 지속 가능한 청정에너지로의 전환에 필수적이지만, 비싼 백금 촉매를 사용해 전기화학적 산소 환원 반응을 촉진하는 것은 비용적인 문제로 상용화에 한계가 있다. 백금을 대체할 수 있는 촉매로는 철-질소-탄소 기반의 촉매가 주목받고 있지만, 기존의 합성법으로는 철 기반 촉매를 제조하는 데 기술적인 어려움이 있으며, 우수한 촉매 성능을 기대하기 어렵다.

이 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 철 프탈로시아닌(FePc)과 그래픽 산화물(GO)을 활용하여 기존의 합성법보다 훨씬 간단하고 빠르게 철 기반 단원자 촉매를 합성하는 방법을 개발했다.

이 교수는 '순간 열처리'라는 혁신적인 합성법을 도입하여 기존의 열처리 시간을 몇 시간에서 단 150초로 단축하는 데 성공했다. 기존 합성법은 시간도 오래 걸리고, 후공정이 필요한지만 '순간 열처리' 합성법은 후공정도 없어 환경친화적이다.

이 교수 연구팀이 개발한 촉매는 산소 환원 반응(ORR)에서 뛰어난 활성과 안정성을 보이며, 실제 전기화학 장치인 아연-공기 배터리와 음이온 교환막 연료전지에서 우수한 성능을 입증했다.

이 교수는 "새롭게 개발한 단원자 촉매 기술이 연료 전지와 금속-공기 배터리의 성능을 크게 개선하고, 상용화 가능성을 높일 것으로 기대된다"며 "이번 연구를 시작으로 촉매 합성의 효율성을 높이고 다양한 전이 금속 촉매 개발에 중요한 지침을 제공할 것"이라고 밝혔다. 학계는 이 교수의 새로운 연구 발표가 청정에너지 기술의 발전과 지속 가능한 에너지 시스템 구축에 큰 도움이 될 것으로 평가했다.

한편 'Advanced Materials'는 신소재 연구 분야에서 오랜 역사를 가진 최고 권위를 인정받는 저널 중 하나로, 2024년 현재 IF 27.4와 피인용지수 상위 2%를 기록하며 동일 분야 총 230개 저널 중 상위 5위를 기록했다.

강솔희기자 seung0103@dt.co.kr