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• "촉매 주변 전기장 조절로 배터리·연료전지 성능 획기적 향상"

  송고일 : 2026-06-01
  
  

  (좌)KAIST 황승준 교수 (우)서울대학교 류재윤 교수 / KAIST 제공

  [투데이에너지 장재진 기자] KAIST 화학과 황승준 교수팀과 서울대학교 류재윤 교수팀이 촉매 구조를 크게 바꾸지 않고도 촉매 주변의 전기적 환경을 조절해 산소 환원 반응(ORR)의 활성과 선택성을 동시에 향상시키는 새로운 촉매 설계 전략을 제시했다.

  1일 KAIST에 따르면, 연구팀은 촉매 활성점 근처에 국소 양이온을 배치해 내부 전기장을 형성함으로써 원하는 반응 경로를 유도하고, 기존에 비해 특정 반응 비율을 최대 12%에서 52% 수준으로 끌어올리는 성과를 확인했다.

  이번 연구는 촉매 자체의 금속 중심이나 리간드를 바꾸는 전통적 방법과 달리, 외부에서 도입한 양이온이 만드는 정전기적(비공유적) 환경을 활용해 반응 중간체의 안정성과 에너지 장벽을 선택적으로 조절한다는 점에서 차별화된다.

  연구팀은 실험(예: NMR, X선 결정구조, 진동 Stark 효과, 전기화학 분석)과 이론(DFT) 계산을 결합해 정전기장 효과의 실재성과 메커니즘을 다각도로 검증했다.

  특히 Sc3＋와 같은 삼가 양이온은 Fe–OOH 중간체를 안정화하고 이후 양성자화 장벽을 낮춤으로써 고효율 4전자 환원 경로를 개방하는 메커니즘을 규명했다. 이로 인해 기존에는 달성하기 어려웠던 낮은 과전압 및 높은 선택성을 동시에 만족시키는 반응 제어가 가능해졌다.

  연구팀은 이 설계 원리가 산소 환원 반응에 국한되지 않고 수소 발생 반응(HER), 이산화탄소 환원 반응(CO2RR) 등 다양한 전기화학적 소분자 전환 반응에 확장될 수 있으며, 실용화 시 연료전지와 금속-공기전지 등 차세대 에너지 장치의 효율·수명·안정성 개선에 기여할 것으로 기대한다고 밝혔다.

  이번 성과는 POSTECH 및 KAIST의 박사과정·박사후 연구원들이 공동 1저자로 참여했으며, 연구 결과는 미국화학회지(JACS)에 게재되었다. 연구는 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단 등의 지원을 받았다.

  위 그림 내에 그려진 모델 시스템과 같이 크라운–포피린 기반 모듈형 구조에 산화-환원 비활성 양이온을 도입해 국소 전기장과 루이스 산 효과를 정밀하게 조절할 수 있는 분자 시스템을 구현했다. 이를 통해 양이온 전하에 따라 변화하는 전기화학적 특성과 산소 환원 반응(ORR) 촉매 활성이 정전기–루이스 산 상호 작용에 의해 제어됨을 보였다. /KAIST 제공

  ■ 용어 설명

  내부 전기장= 촉매 분자 내 또는 활성점 주변에 형성된 국소적인 정전기장으로, 금속 중심의 전자 특성을 미세 조절해 반응 중간체의 안정화와 에너지 장벽에 영향을 준다.

  국소 양이온= 촉매 활성점 근처에 의도적으로 배치되어 내부 전기장을 형성하는 양전하 이온을 뜻한다. 양이온의 종류와 농도로 전기장 세기와 특성을 조절할 수 있다.

  산소 환원 반응(ORR)= 전극에서 산소(O2)가 전자를 받아 물(H2O) 또는 과산화물로 환원되는 반응으로 연료전지·금속-공기 전지 등에서 전기를 생산하는 핵심 전기화학 반응이다.

  4전자 환원 경로= ORR에서 산소가 직접 물로 환원되는 반응 경로로, 과산화물 생성 없이 높은 효율로 전자 수송이 이뤄진다. 높은 선택성이 요구되는 응용에서 바람직하다 .

  과전압(Overpotential)=전기화학 반응을 일으키기 위해 실제로 필요한 전압에서 이론적(평형) 전압을 초과하는 추가 전압. 과전압이 낮을수록 에너지 효율이 좋다.

  철 포피린(Fe-porphyrin)=헴(heme) 단백질의 활성 중심을 모사한 분자 촉매로, 산소 활성화 및 전기촉매 연구에서 널리 사용되는 구조체이다.

  출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)