【브레이크뉴스 경북 포항】이성현 기자=POSTECH-UNIST 연구팀이 원자 단위에서의 엑솔루션 현상과 상전이 현상을 최초로 밝힘으로써 고성능 촉매 개발에 한 걸음 다가섰다.  

▲ 연구진  © 포스텍

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)는 화학공학과 한정우 교수, 박사과정 김경학씨 연구팀은 UNIST(울산과기원, 총장 이용훈) 김건태 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 연료전지에 들어가는 촉매 물질인 ’PBMO‘가 페로브스카이트 구조에서 층상구조로 변함과 동시에 나노입자가 표면으로 엑솔루션(용출, 溶出)되는 메커니즘을 밝히고, 전극 및 화학 촉매로서의 가능성을 확인했다고 3일 밝혔다. 이 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science)의 뒷표지 논문(Outside back cover)으로 선정, 최근 게재됐다.

촉매는 물질의 화학반응을 더욱 잘 일어날 수 있도록 돕는 물질이다. 연료전지의 촉매 중 하나인 PBMO(Pr0.5Ba0.5MnO3-δ)는 수소가 아닌 탄화수소를 바로 써도 안정적으로 작동하는 물질로 알려져 있다. 특히, 산소를 잃는 환원 조건에서 층상구조로 변화됨에 따라 높은 이온전도도를 가진다. 이와 동시에 금속산화물 내부의 원소가 표면으로 나오는 엑솔루션 현상이 일어난다.

▲ 촉매활성이 변하는 과정에 관한 모식도  © 포스텍

이 현상은 특별한 공정 과정 없이 주위 환원 조건에 의해 자발적으로 일어나는데, 물질 내부에 있던 원소가 표면으로 올라오면서 연료전지의 안정성과 성능이 크게 좋아진다. 하지만 그동안 어떤 과정을 통하여 고성능의 촉매가 형성되는지는 알려진 바가 없어 소재 설계에 어려움이 있었다.

연구팀은 이런 특징에 주목해 양자역학 기반의 제일원리 계산과 실시간 소재의 결정구조 변화를 볼 수 있는 in-situ XRD실험을 통하여 이 과정이 상 전이 → 입자 석출 → 촉매 형성의 과정을 거침을 확인했다. 또한, 이렇게 개발된 산화 촉매는 기존 촉매와 비교해 4배까지 성능이 좋아짐을 확인하여 다양한 화학 촉매에도 이번 연구가 적용 가능함을 확인했다.

연구를 주도한 한정우 교수는 “시뮬레이션을 통해 기존 실험에서 확인하기 어려웠던 원자 단위에서 정밀하게 소재를 이해하고, 이를 성공적으로 실증함으로써 기존 연구의 한계를 뛰어넘을 수 있었던 좋은 사례”라며 “이 연구는 지지체 ·나노촉매가 활용되는 배기가스 저감, 센서, 연료전지, 화학 촉매 등에 활용될 수 있기 때문에 향후 다양한 분야에서 활발한 연구가 기대된다”고 말했다.

한편, 이 연구는 삼성미래육성기술재단, 에너지기술평가원의 지원으로 수행됐다.

<아래는 구글번역기로 번역한 기사 전문이다.>

 POSTECH·UNIST Research Team Reveals the Secret of “Catalyst” That Increases Fuel Cell Efficiency

[Break News Pohang, Gyeongsangbuk-do] Reporter Sung-Hyun Lee=POSTECH-UNIST's research team took a step closer to the development of high-performance catalysts by revealing the phenomenon of resolution and phase transition at the atomic level for the first time.

POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Moo-Hwan Kim) is a professor at the Department of Chemical Engineering. It was revealed on the 3rd that it revealed the mechanism by which nanoparticles are ex-soluated (eluted, released) to the surface at the same time as they change from a Lobsky structure to a layered structure, and confirmed the possibility as an electrode and a chemical catalyst. This research result was recently published as an outside back cover of “Energy & Environmental Science”, an international academic journal in the field of energy.

Catalysts are substances that help chemical reactions of substances take place better. PBMO (Pr0.5Ba0.5MnO3-δ), one of the catalysts for fuel cells, is known as a material that stably operates even if a hydrocarbon other than hydrogen is used directly. In particular, it has high ionic conductivity as it changes to a layered structure under reducing conditions that lose oxygen. At the same time, the solution phenomenon occurs in which the elements inside the metal oxide come out to the surface.

This phenomenon occurs spontaneously by ambient reducing conditions without any special process. As the elements inside the material rise to the surface, the stability and performance of the fuel cell are greatly improved. However, it has been difficult to design materials because it is not known how high-performance catalysts are formed through any process.

Focusing on these features, the research team confirmed that this process went through the process of phase transition → particle precipitation → catalyst formation through quantum mechanics-based first-principle calculations and in-situ XRD experiments that could see changes in the crystal structure of the material in real time. . In addition, it was confirmed that the developed oxidation catalyst has improved performance by up to four times compared to the existing catalyst, confirming that this study can be applied to various chemical catalysts.

Professor Han Jeong-woo, who led the research, said, “Through simulation, we have been able to overcome the limitations of existing research by accurately understanding materials in atomic units, which were difficult to confirm in existing experiments, and successfully demonstrating them.” Since nano catalysts can be used for exhaust gas reduction, sensors, fuel cells, chemical catalysts, etc., active research in various fields is expected in the future.”

Meanwhile, this research was carried out with the support of the Samsung Future Development Technology Foundation and the Korea Institute of Energy Technology Evaluation.