[데일리비즈온 김소윤 기자] ‘결함’이 많은 물질은 ‘좋은 촉매’가 된다. 보통 물체는 빈자리 등 결함 없이 매끈한 것이 좋지만 연료 전지나 물 전기분해 등 화학반응을 돕는 ‘촉매’는 그렇지 않다. 촉매 속 ‘산소 원자’가 빠진 자리가 많을수록 성능이 좋다. 최근 국내 연구진이 이 원리를 밝혀내 우수한 촉매 개발에 도움이 될 것으로 기대된다. 

UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 김건태·이준희 교수팀은 후기전이금속을 이용해 고성능 ‘페로브스카이트 산화물 촉매’를 만들었다. 이로 인해 성능이 높아진 원리를 찾아냈다. 촉매 속 산소 빈자리가 전이금속 구조를 바꿔 화학반응이 더 잘 일어나도록 돕는다는 것.

연구팀은 페로브스카이트 산화물 촉매에서 산소 빈자리의 역할과 효과를 정확하게 규명한 연구로 주목받고 있다고 자평했다. 페로브스카이트 산화물 촉매는 란탄족, 전이금속, 산소로 구성된다. 이 촉매는 전기가 잘 흐르고 산소 발생과 환원 양쪽 반응에서 모두 우수한 특징을 가지고 있다.

이에 충·방전과 같이 반대되는 반응이 꾸준히 일어나는 ‘금속-공기전지’나 ‘연료전지’ 등에 쓰일 후보로 꼽힌다는 게 연구팀의 설명이다. 기존 백금 등의 귀금속 촉매는 비싸고 안정성이 낮아 대체 촉매 개발이 활발하다.

공동연구팀은 이 경우 ‘산소 빈자리’가 많을수록 성능이 좋다는 사실에 착안해 새로운 페로브스카이트 산화물 촉매를 개발했다. 아울러 촉매의 물질조성이나 표면적, 결정성 같은 물리·화학적 특성을 그대로 둔 채 ‘산소 빈자리만 조절하면서 나타난 변화’를 살폈다.

그 결과, 산소 빈자리가 후기전이금속의 최외각 전자껍질(오비탈) 에너지 준위를 바꿔 전체 성능이 높아진다는 것을 알아냈다. 실제 연구팀이 촉매 속 산소 빈자리의 양을 증가시키면서 성능을 검증한 결과, 산소 빈자리가 늘어날수록 두 반응 모두 촉진됐다. 이는 범밀도 함수 이론을 이용한 이론 계산과도 일치했다는 설명이다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원 사업, 한국동서발전 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 촉매분야 국제학술지 ‘ACS catalysis’ 3월 24일자에 온라인으로 공개됐다.

김소윤 기자 ksy0508@dailybizon.com 다른기사 보기