왼쪽부터 켄텍 오상호 교수, 포항공대 한현 교수.

 

[대학저널 이선용 기자] 한국에너지공과대학교(KENTECH) 오상호 교수 연구팀과 포항공과대학교(POSTECH) 한현 교수 연구팀이 차세대 연료전지 및 수전해용 촉매 소재로 주목받고 있는 ‘용출(exsolution) 금속 나노입자’의 성능 저하 원인을 원자 수준에서 규명했다.

연구팀은 나노입자가 만들어지는 초기 과정부터 장시간 고온 환원 환경에서 퇴화하는 과정까지 실시간 투과전자현미경으로 직접 관찰했다.

용출은 산화물 내부에 있던 금속이 고온 환원 조건에서 표면으로 올라와 스스로 나노입자를 이루는 현상이다. 이렇게 만들어진 입자는 일반적인 증착 방식으로 형성한 입자보다 산화물 지지체에 더 단단히 고정돼 안정성이 높아, 차세대 연료전지 전극과 촉매 소재로 주목받고 있다. 하지만 실제 작동 환경에서는 시간이 지나면서 입자와 주변 산화물 구조가 함께 변하면서 성능 저하가 나타날 수 있다. 정확한 원인은 그동안 밝혀지지 않았다.

한현 교수 연구팀은 결정 구조가 잘 정렬된 에피택셜 산화물(Epitaxial Oxide) 박막을 이용해 이 과정을 추적했다. 관찰 결과, 초기 용출 단계에서는 니켈(Ni) 나노입자가 표면으로 나오면서 결정이 어긋나 생기는 ‘역상경계(Antiphase Boundary, APB)’ 결함이 함께 사라지는 현상을 확인했다. 이는 용출이 단순히 금속 입자가 표면으로 이동하는 현상을 넘어, 결정 구조 재배열과 결함 치유가 함께 일어나는 복합 과정임을 보여준다.

반면 장시간 고온 환원 조건에서는 다른 변화가 관찰됐다. 니켈(Ni)과 스트론튬(Sr)이 점차 사라지면서 표면에 미세한 함몰(pit)이 생기고, 이후 La2TiO5 2차상이 형성됐다. 연구팀은 실시간 관찰을 바탕으로, 이러한 변화를 ‘조성 불균형 구조에서 균형 구조로 바뀌었다가, 다시 분해 단계로 넘어가는 과정’으로 설명했다. 이를 통해 용출 나노입자의 장기 안정성이 어떻게 무너지는지를 한눈에 제시했다.

이번 연구는 용출 나노입자의 성능 저하가 단순한 입자 성장이나 응집만으로 설명되지 않는다는 점을 보여준다. 즉, 성능 저하는 결정 결함의 변화, 원소 손실, 표면 구조 변화, 2차상 형성이 연속적으로 이어지는 과정과 연결돼 있음을 보여준다. 이 성과는 향후 연료전지와 수전해 장치용 촉매의 초기 활성뿐 아니라 장기 안정성까지 함께 높일 수 있는 재료 설계 전략 마련을 마련하는 데 기여할 것으로 기대된다.

오상호 교수는 “이번 연구는 용출 촉매에서 나타나는 성능 저하의 근본 원인을 원자 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다.

한현 교수는 “이번 성과가 용출 촉매의 안정성과 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 재료 설계 전략으로 이어지길 기대한다”고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 나노과학 분야의 세계적 학술지인 ACS Nano에 게재됐다.

 

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