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[투데이에너지 장재진 기자] 톈진대학교 연구진은 백금기 촉매의 초고속 합성과 원자층 수준의 정밀 제어를 가능하게 하는 새로운 합성법을 제시했다고 최근 밝혔다.

13일 톈진대학교에 따르면 해당 연구는 국제학술지 Science에 게재되었으며, 연구진은 기존의 장시간 고온 어닐링 공정을 대체할 수 있는 ‘비평형 일시적 조립(transient assembly)’ 전략과 밀리초 단위 열 펄스 기술을 핵심으로 소개했다.

연구팀은 주기적·밀리초 규모의 열 펄스를 통해 에너지를 정밀하게 주입함으로써 과도한 고에너지 상태의 연속적 진화를 유도하고, 이로써 나노크리스탈이 빠르게 코어-셸(core–shell) 구조로 재배열되도록 만들었다. 이를 통해 기존 수시간에서 수십분 이상 걸리던 다단계 합성 공정을 단 몇 분으로 단축할 수 있었다.

특히 연구진은 백금 껍질의 원자층 두께를 원자 단위로 제어해 3층(platinum trilayer) 수준의 균일한 껍질을 형성함으로써 기하학적 및 전자구조적 최적화를 달성했다고 보고했다. 결과적으로 합성된 촉매는 수소 연료전지에서 백금 단위 질량당 15.2 kW의 정격 출력 성능을 보였고, 내구성 측면에서도 우수한 특성을 나타냈다.

에너지 효율과 환경 측면에서도 주목할 만하다. 연구에 따르면 본 방법은 단위 질량당 촉매 합성에 필요한 에너지 소비를 약 90% 절감하고, 유해하거나 오염을 유발하는 시약 사용을 회피할 수 있어 친환경 합성 공정으로 평가된다. 톈진대학교의 교신저자 후원빈 교수는 이 기술이 귀금속 기반 촉매의 미세구조 제어와 대량화에 유리한 새로운 접근법을 제공한다고 설명했다.

응용 가능성도 넓다. 연구진은 녹색 수소 생산을 위한 전극 소재, 고부가 화학물질 제조용 촉매, 환경오염 저감용 촉매뿐만 아니라 미세화학제품 및 제약 합성에 이르는 다양한 분야에서 이 기술이 기여할 수 있다고 전망했다. 다만 실증 규모 확장, 공정의 비용-이득 분석, 장기 내구성과 신뢰성 검증 등 상업화 전 검토해야 할 과제도 남아 있다.

이번 성과는 귀금속 사용량을 줄이면서도 촉매 성능을 유지·향상시키는 방향으로 연료전지 및 친환경 촉매 기술 발전에 중요한 전기가 될 것으로 기대된다.

■ 용어 설명

백금기 촉매= 백금(또는 백금계 금속)을 활성성분으로 포함한 촉매. 연료전지, 산화·환원 반응 등에서 높은 활성과 안정성을 제공하나 귀금속 비용 문제를 동반한다. 코어-셸(core–shell) 구조=중심의 ‘코어(핵심 물질)’와 그를 둘러싼 ‘껍질(shell)’로 구성된 나노구조. 귀금속을 얇은 껍질로 사용해 귀금속 사용량을 줄이면서 표면 활성화를 도모할 수 있다. 일시적 조립(Transient assembly)=평형 상태가 아닌 비평형 조건에서 재료들이 순간적으로 재배열되어 원하는 나노구조를 형성하도록 유도하는 합성 전략을 의미한다. 본 연구에서는 주기적 열 자극으로 이를 구현했다. 열 펄스(thermal pulse)=짧은 시간 동안(여기서는 밀리초 단위) 빠르게 가열·냉각을 반복해 재료의 구조 변화를 촉진하는 방법. 정밀한 시간·에너지 제어로 미세구조 형성이 가능하다. 어닐링(annealing)=재료를 일정 온도로 가열하였다가 서서히 냉각시키는 열처리 공정. 결정성 개선·결함 제거 등에 사용되나 전통적 공정은 시간과 에너지를 많이 소모한다.

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