UNIST 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀 주성미 ▲ 고효율의 안정적인 ‘아연-질소-탄소’로 이뤄진 연료전지 촉매를 개발한 UNIST 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀. 왼쪽부터 가오펑 한(Gao-Feng Han) 연구원, 펑 리(Feng Li) 연구원, 백종범 교수, 노혁준 연구원. (UNIST 제공) 연료전지에 쓰이는 값비싼 ‘백금’을 대체할 수 있는 고효율의 안정적인 촉매가 개발됐다. 울산과학기술원(UNIST)는 백종범 에너지 및 화학공학부 교수팀과 중국 난징대 부 윈페이 교수팀이 공동으로 ‘아연-질소-탄소’로 이뤄진 새로운 촉매를 합성하고, 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성 자리를 찾는 데 성공했다고 23일 밝혔다. 기존 촉매 연구는 값비싼 백금(Pt)를 대체하는 고효율 전이금속 촉매를 합성하는 데 중점적으로 이뤄졌다. 백금 대신 다른 물질을 사용해 고효율을 얻을 수 있는지 살피는 것이다. 그러나 새롭게 합성한 촉매에서 최적화된 반응이 일어나는 구체적인 위치를 찾는 연구는 부족했다. 연구진은 촉매의 구체적인 위치를 찾는 데 집중했다. 백 교수팀은 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)로 이뤄진 새로운 전이금속 촉매(ZnNC)를 합성했다. 분광 분석 장비와 원자에 전자가 들어가 있는 모양과 에너지를 계산하는 함수를 이용해 산소환원반응이 잘 일어나도록 도와주는 촉매 구조를 찾아냈다. 그 결과 최적화된 촉매 반응 자리가 아연 원자 하나에 질소 원자 두 개가 결합된 ‘Zn-N₂’ 구조라는 점을 알아냈다. 이 구조의 촉매가 백금보다 산소환원반응 속도가 우수하다는 것을 실험을 통해 입증했다. 백종범 교수는 “성능을 중시하는 기존 촉매 개발에서 벗어나 촉매의 활성 자리를 정확히 규명하는 데 초점을 맞춘 연구”라며 “활성 자리 구조를 위주로 촉매를 설계할 수 있기 때문에 촉매 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것”이라고 말했다. 이어 “이번 연구에 쓰인 방식을 활용하면 다른 전이금속 촉매의 활성 구조를 찾는 데도 도움이 될 것이라고 덧붙였다. 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업(창의연구)과 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC), 중국 국가자연과학기금 위원회, 장쑤(JangSu)지방 자연과학위원회 지원으로 이뤄진 이번 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 6월 13일자에 게재됐다.
유니스트는 백종범 에너지 교수팀과 중국 난징대 부 윈페이 교수팀이 공동으로 ‘아연-질소-탄소’로 이뤄진 새로운 촉매를 합성했고, 이는 값비싼 백금을 대체할 수 있는 교효율의 촉매가 될 예정이며 백교수는 촉매 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것이라고 기대감을 내비쳤다.