[뉴스웍스=문병도 기자] 김봉중 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 교수와 정우철 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학부 교수 공동연구팀이 산화물 기판에서 고온 환원 시켰을 때 서로 뭉쳐지지 않는 금속 촉매 입자의 생성 원리를 투과전자현미경에서 실시간 관찰을 통해 세계 최초로 규명했다.

산화물 지지체를 이용한 금속 촉매 입자의 용출 현상은 촉매 입자가 지지체 표면에 박혀있게 되어 고온에서도 조대화가 일어나지 않아, 고온 촉매 반응과 재생 에너지 응용에 있어서 매우 중요하게 여겨져 왔다. 기존의 연구는 용출된 후의 샘플 분석에 의존하였기 때문에 입자의 크기, 밀도, 분포를 제어 할 수 있는 원리를 이해할 수 없었다. 이로 인해 촉매의 활성과 내구성을 극대화 하는 것이 불가능했다.

이번 연구에서는 원자해상도와 빠른 이미징 획득이 가능한 실시간 투과전자현미경 기법을 통해 SrTi0.75Co0.25O3-δ 다결정 기판에서 코발트(Co) 금속 원소의 용출현상의 운동학을 이해하여 성장 메카니즘을 규명하고 이를 모델링했다. 

이를 통해, 입자의 크기는 오직 온도에 의해 조절이 가능하다는 것을 밝혔다.

또 용출된 금속 입자들을 모두 결정립계에서만 생성시켜 용출온도를 섭씨 500도까지 낮추었고, 결정립의 크기와 분포를 조절하여 입자의 밀도와 분포를 최적화시킬 수 있었다.

열역학적 모델을 만들어 입자 성장의 반응제어단계를 알아내었고, 코발트 공공생성과 용출 엔탈피, 그리고 입자 성장을 위한 활성화 에너지를 정량화했다.

추가적으로 일산화탄소(CO) 환원반응 실험을 통해 산화물 기판에 형성된 촉매의 반응사이트가 금속과 산화물 기판의 경계임을 알아내고, 이를 제일원리계산을 통해 검증하였다.

김봉중 교수는 “이번 연구성과는 금속촉매의 용출 현상을 정량적으로 규명하고, 결정립을 용출 현상의 새로운 시스템으로 활용한 최초의 결과로써, 향후 전기자동차, 가스센서, 가스개질 등의 분야에 획기적인 개선을 가져올 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.

삼성미래기술육성과제의 지원을 받아 수행되고 조용륜 GIST 신소재공학부 연구원과 구본재 MIT 연구원이 참여한 이번 연구 결과는 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지에 지난 2일자 온라인으로 게재됐다.