[로이슈 전여송 기자] 한국에너지공과대학교(KENTECH)와 포항공과대학교(POSTECH) 공동 연구팀이 차세대 연료전지 및 수전해 촉매 소재로 활용되는 ‘용출 금속 나노입자’의 성능 저하 원인을 원자 수준에서 규명했다고 6일 밝혔다.

이번 연구는 KENTECH 오상호 교수 연구팀과 POSTECH 한현 교수 연구팀이 공동으로 수행했다. 연구팀은 실시간 투과전자현미경을 활용해 나노입자가 형성되는 초기 과정부터 장시간 고온 환원 환경에서 퇴화하는 과정까지 관찰했다.

용출은 산화물 내부 금속이 고온 환원 조건에서 표면으로 이동해 스스로 나노입자를 형성하는 현상이다. 이렇게 형성된 입자는 일반 증착 방식 대비 산화물 지지체에 강하게 고정돼 안정성이 높은 특성이 있어 차세대 연료전지 전극과 촉매 소재로 주목받고 있다.

다만 실제 작동 환경에서는 시간이 지나며 입자와 주변 산화물 구조가 함께 변화하면서 성능 저하가 발생할 수 있지만, 정확한 원인은 규명되지 않은 상태였다.

연구팀은 결정 구조가 정렬된 에피택셜 산화물 박막을 활용해 용출 과정을 추적했다. 분석 결과 초기 용출 단계에서는 니켈 나노입자가 표면으로 이동하는 과정에서 결정 구조 어긋남으로 발생하는 ‘역상경계(APB)’ 결함이 함께 사라지는 현상이 확인됐다.

연구팀은 이를 통해 용출 현상이 단순 금속 이동이 아니라 결정 구조 재배열과 결함 치유가 동시에 일어나는 복합 과정이라는 점을 확인했다고 설명했다.

반면 장시간 고온 환원 조건에서는 니켈과 스트론튬이 점차 소실되면서 표면에 미세 함몰이 형성됐고, 이후 La2TiO5 2차상이 생성되는 현상이 관찰됐다.

연구팀은 이러한 변화를 조성 불균형 구조가 균형 구조로 변한 뒤 다시 분해 단계로 이어지는 과정으로 해석했다. 이를 통해 용출 나노입자의 장기 안정성이 저하되는 메커니즘을 제시했다고 밝혔다.

연구팀은 이번 연구가 용출 나노입자의 성능 저하가 단순 입자 성장이나 응집만으로 설명되지 않으며, 결정 결함 변화와 원소 손실, 표면 구조 변화, 2차상 형성 등이 복합적으로 작용한다는 점을 보여준다고 설명했다.

오상호 KENTECH 교수는 “용출 촉매에서 나타나는 성능 저하 원인을 원자 수준에서 직접 확인한 연구”라고 말했다.

한현 POSTECH 교수는 “용출 촉매의 안정성과 성능을 동시에 높일 수 있는 재료 설계 전략으로 이어지길 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 나노과학 분야 학술지 ACS Nano에 게재됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr