한국에너지공과대학교(KENTECH)와 포항공과대학교(POSTECH) 공동 연구팀이 차세대 연료전지와 수전해 장치의 핵심 소재로 주목받는 '용출(exsolution) 금속 나노입자' 촉매의 성능 저하 원인을 원자 수준에서 규명했다.
KENTECH 오상호 교수 연구팀과 POSTECH 한현 교수 연구팀은 실시간투과전자현미경(TEM)을 활용해 나노입자가 생성되는 초기 단계부터 장시간 고온 환원 환경에서 퇴화하는 전 과정을 직접 관찰했다고 6일 밝혔다.
용출은 산화물 내부 금속이 고온 환원 조건에서 표면으로 이동해 스스로 나노입자를 형성하는 현상이다. 이렇게 형성된 입자는 일반 증착 방식보다 산화물 지지체에 강하게 고정돼 높은 안정성을 갖는 차세대 촉매기술로 평가받고 있다.
다만 실제 구동 환경에서는 시간이 지나며 성능 저하가 발생했지만, 그 원인은 명확히 밝혀지지 않았다.
연구팀은 결정구조가 정교하게 배열된 에피택셜 산화물 박막을 이용해 구조 변화를 추적했다.
그 결과 초기 용출과정에서는 니켈(Ni) 나노입자가 표면으로 형성되면서 결정 배열이 어긋나 생긴 '역상경계(APB)' 결함이 동시에 사라지는 현상을 확인했다.
연구진은 이를 통해 용출이 단순한 금속 이동이 아니라 결정구조 재배열과 결함 치유가 함께 일어나는 복합 현상이라는 점을 밝혀냈다.
반면 장시간 고온 환원 환경에서는 니켈과 스트론튬(Sr)이 점차 빠져나가면서 표면에 미세한 함몰이 발생했고, 이후 La₂TiO₅ 형태의 2차상이 형성되는 과정도 관찰됐다.
연구팀은 이를 조성 불균형 상태가 일시적으로 안정구조를 거친 뒤 다시 분해단계로 전환되는 과정으로 분석했다.
이번 연구는 용출촉매의 성능 저하가 단순한 입자 성장이나 응집 때문이 아니라 결정 결함 변화와 원소 손실, 표면 구조 변화, 2차상 형성이 연속적으로 이어지는 복합과정이라는 점을 제시했다는 데 의미가 있다.
연구팀은 이번 성과가 연료전지와 수전해 장치용 촉매의 초기 활성뿐 아니라 장기 안정성까지 높일 수 있는 차세대 재료 설계 전략 마련에 기여할 것으로 기대하고 있다.
켄텍 오상호 교수는 "용출촉매에서 나타나는 성능 저하의 근본 원인을 원자 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.
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