박성진 인하대 화학과 교수 연구팀이 개발한 고엔트로피 합금 촉매 및 아연-공기 전지 성능 향상 모식도.

 

[대학저널 이선용 기자] 인하대학교는 최근 박성진 화학과 교수 연구팀이 친환경 에너지 저장시스템인 아연·공기 전지의 전극 소재로 높은 성능을 구현할 수 있는 고엔트로피 합금 전기촉매를 개발해 학계 인정을 받았다고 4일 밝혔다.

박성진 교수 연구팀은 성균관대 이상욱 화학공학과 교수 연구팀과 함께 이번 연구성과를 달성했다.

아연·공기 전지는 기존 리튬이온전지를 대체할 것으로 각광받고 있는 차세대 전지다. 에너지 밀도가 높고 발화 위험이 현저히 적으며, 부산물로 오염물질을 거의 배출하지 않는 친환경 전지다.

전극으로 지구상에 풍부한 금속인 아연과 공기를 사용하기 때문에 가격이 저렴하면서도 출력밀도가 높다는 장점이 있는 차세대 기술이다. 하지만 높은 효율과 장시간 안정성을 확보할 수 있는 공기전극용 전기촉매 물질 개발이 해결해야 하는 과제로 꼽혔다.

공기 전극이 구동하기 위해서는 산소발생반응과 산소환원반응이 같은 전극 내에서 동시에 일어나야 한다. 이를 위해 두 가지 다른 전기 촉매를 도입해야 한다.

공기 전극의 기술적 한계를 극복하려고 높은 활성을 보이는 금속 기반 활성종을 전극 표면에 다수 노출시키는 다양한 연구 개발이 진행됐지만 여전히 성능 개선이 제한적이었다.

이번 연구에서는 열역학적 선호도에 의해서 생성되는 신소재인 고엔트로피 합금(high entropy alloy) 소재를 전기 촉매로 사용했다. 고엔트로피 합금은 다섯가지 이상의 금속종을 섞었을 때 엔트로피 때문에 각 금속이 원자 수준에서 균일하게 섞이는 합금 소재로 생성되는 신소재다. 이번에 개발한 고엔트로피 합금은 백금, 철, 구리, 일산화탄소, 니켈로 구성된 소재다.

연구 결과, 개발된 신소재가 산소발생반응과 산소환원반응에 함께 촉매로 작용할 수 있는 ‘이기능 촉매’로 뛰어난 성능을 보이는 것으로 확인됐다. 특히 구성 소재 중 니켈 기반 화학종이 산소발생반응과 산소환원반응에 주요한 촉매 구조로 기여하는 것을 규명했다.

공기 전극에 촉매로 사용해 높은 출력 밀도, 높은 비용량, 뛰어난 내구성을 보유하는 아연·공기 전지를 구현하는 성과를 거뒀다.

연구팀은 이번 성과가 아연·공기 전지의 성능 향상과 차세대 신소재인 고엔트로피 합금 소재의 응용 가능성을 확장시켰다는 점에서 의미가 크다고 설명했다.

연구 성과는 나노·재료 분야 세계 최고 수준 학술지인 Small(피인용지수(IF) = 12.1, JCR 상위 10% 이내) 저널에 2026년 1월 게재되기도 했다.

한편, 이번 연구를 주도한 박성진 교수는 2018년, 2019년 2년 연속 세계에서 가장 영향력 있는 세계 상위 1% 연구자에 선정됐고, 2022년부터 2025년까지 4년 연속 세계 상위 2% 연구자에 선정된 바 있다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견후속연구, 기초연구실 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

 

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