설용건·한병찬 교수팀, 새로운 산소발생반응 촉매 발견

새로운 육방정계 페로브스카이트 구조의 메커니즘 해석

‘미국화학회지’에 논문 게재

왼쪽: 화공생명공학과 설용건 교수, 오른쪽: 화공생명공학과 한병찬 교수

산소발생은 금속-공기 2차 전지 및 물 분해를 통한 수소연료 생산과 같은 광범위한 에너지 시스템에서 일어나는 전기화학 반응의 핵심이다. 그러나 그 반응속도가 지나치게 느려 대부분의 경우 고활성 촉매가 요구된다. 현재까지 개발된 촉매는 희귀금속류 (IrO2)등 고가의 소재를 사용함에도 그 효율이 상업화 수준을 절대적으로 만족시키지 못하고 있는 실정이다.

화공생명공학과 설용건·한병찬 교수 연구팀은 Ir계 물질을 사용하지 않은 페로브스카이트(Perovskite)형 ABO3구조식을 가지는 산화물 구조체의 고성능 산소 발생 촉매를 발견했다. 나아가 촉매활성의 향상에 대한 메커니즘을 규명해 그 연구결과를 저명 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’ 온라인판에 2월 24일 게재했다.

입방정계 perovskite 구조

육방정계 perovskite 구조

페로브스카이트 구조를 가지는 금속산화물은 구조의 형태와 구성하는 물질에 따라 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보여주며, 사면체, 팔면체, 입방체로 구성된다. 지금까지 주로 연구가 진행되어 온 의사입방정(pseudocubic)구조에 반해, 설용건·한병찬 교수 연구팀은 바륨, 니켈, 수소로 구성된 육방정계 페로브스카이트(hexagonal perovskite)구조의 물질을 합성해 산소발생촉매로 사용했다. 이들은 반응 중 산소발생촉매로서의 활성이 증가하는 것을 발견했으며 다양한 실험적 결과 해석과정과 제일원리 계산을 통해 촉매활성의 향상이 Ni vacancy형성에 의한 육방정계 페로브스카이트의 상 전이 현상에 기인된다는 메커니즘을 밝혀냈다.

상 전이 현상에 따른 산소발생 촉매활성 향상

이번 연구 결과는 국내 연구진들로만 구성된 결과일 뿐만 아니라, 실험적 결과 해석을 통한 새로운 가설 제시·증명, 실제 소재 합성 및 제일원리 전산모사가 정교하게 결합된 논문이라 더 의미가 크다고 할 수 있다. 본 연구는 설용건 교수와 한병찬 교수가 연구책임자로서 교신저자를 담당했으며 BK21신진연구인력 이진구 박사와 황지민 석박사 통합과정 학생이 제1저자로 참여했다. 이밖에도 황호정(박사과정), 전옥성(통합과정), 장정석(석사과정), 권오찬(통합과정), 이예연(석사) 연구원들이 연구에 기여했다.