울산과학기술원(UNIST) 연구진이 연료전지에 쓰이는 값비싼 촉매 대신 저렴하면서도 높은 효율과 안정성을 보이는 촉매를 개발했다. 백종범 에너지 및 화학공학부 교수팀은 중국 난징대 부 윈페이 교수팀과 함께 아연·질소·탄소로 이뤄진 촉매를 합성하고, 이 촉매에서 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성 자리를 찾는 데 성공했다고 23일 밝혔다.
그동안 수소를 공기 중 산소와 반응해 전기를 생산하는 연료전지 연구분야에서는 촉매로 사용되는 값비싼 백금을 다른 물질로 대체하려는 시도가 많았다.
그러나 새롭게 합성한 촉매 안에서 최적화된 반응이 일어나는 구체적인 위치를 찾는 연구는 부족했다. 백 교수팀은 아연(Zn), 질소(N), 탄소(C)로 이뤄진 전이금속 촉매(ZnNC)를 합성하고, 'X-선 흡광 분석기' 등 장비를 이용해 산소환원 반응이 잘 일어나도록 도와주는 촉매 구조를 찾아냈다.
그 결과 최적화된 촉매 반응 자리가 아연 원자 하나에 질소 원자 두 개가 결합한 Zn-N₂ 구조라는 점을 알아냈다.
연구진은 이 구조의 촉매가 백금보다 산소환원 반응 속도가 우수하다는 점을 실험으로 입증했다. 백 교수는 "성능을 중시하는 기존 촉매 개발에서 벗어나 촉매 활성 자리를 정확히 규명하는 데 초점을 맞췄다"면서 "활성 자리 구조를 위주로 촉매를 설계할 수 있기 때문에 촉매 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것"이라고 밝혔다.
그는 "이번 연구에 쓰인 방식을 활용하면 다른 전이금속 촉매의 활성 구조를 찾는 데도 도움이 될 것"이라고 덧붙였다.
이번 연구는 자연과학 분야 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 13일 자로 게재됐다.