▲ 산소 빈자리 결함수에 따른 촉매 성능 변화 그래프

물건은 대부분 빈자리 없이 매끈한 게 좋지만, 연료전지나 물의 전기분해 등의 화학반응을 돕는 ‘촉매’는 반대다. 촉매 속 ‘산소 원자’가 빠진 자리가 많을수록 성능이 좋기 때문이다. 최근 이 현상의 정확한 원리가 밝혀져 우수한 촉매 개발의 길라잡이가 될 전망이다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 김건태, 이준희 교수팀은 후기전이금속(late transition metal)을 이용해 고성능 ‘페로브스카이트 산화물 촉매’를 만들고, 성능이 높아진 원리를 찾아냈다.

촉매 속 산소 빈자리(oxygen vacancy)가 전이금속 구조를 바꿔 화학반응이 더 잘 일어나도록 돕는다는 내용이다. 페로브스카이트 산화물 촉매에서 산소 빈자리의 역할과 효과를 정확하게 규명한 연구로 주목받는다.

페로브스카이트 산화물 촉매는 란탄족, 전이금속, 산소로 구성된다. 이 촉매는 전기가 잘 흐르고, 산소 발생과 환원 양쪽 반응에서 모두 우수한 특징을 가지고 있다. 따라서 충·방전과 같이 반대되는 반응이 꾸준히 일어나는 ‘금속-공기전지’나 ‘연료전지’ 등에 쓰일 후보로 꼽힌다. 기존 백금 등의 귀금속 촉매는 비싸고 안정성이 낮아 대체 촉매 개발이 활발한 상황이다.

공동연구팀은 이 촉매의 경우 ‘산소 빈자리’가 많을수록 성능이 좋다는 사실에 착안해 새로운 페로브스카이트 산화물 촉매(Sm0.5Sr0.5CoO3-δ, SSC)를 개발했다.

이와 더불어 촉매의 물질조성이나 표면적, 결정성 같은 물리·화학적 특성을 그대로 둔 채 ‘산소 빈자리만 조절하면서 나타난 변화’를 살폈다. 그 결과 산소 빈자리가 후기전이금속의 최외각 전자껍질(오비탈) 에너지 준위를 바꿔 전체 성능이 높아진다는 것을 알아냈다.

이준희 교수는 “페로브스카이트 산화물 촉매는 산소 빈자리를 만들어 주면 산소 환원 반응(ORR)이 잘 일어난다고 알려졌는데, 이번에 개발한 촉매는 산소 발생 반응(OER)도 잘 일어나는 ‘이기능성(bifuctionality) 촉매’”라며 “촉매에 만들어 준 산소 빈자리가 후기전이금속의 구조를 바꿔 산소 발생 반응(OER)도 촉진한 덕분”이라고 설명했다.

실제로 촉매 속 산소 빈자리의 양을 증가시키면서 성능을 검증한 결과, 산소 빈자리가 늘어날수록 두 반응 모두 촉진됐다. 이는 범밀도 함수 이론(Density Function Theory)를 이용한 이론 계산과도 일치했다.

김건태 교수는 “후기전이금속 산화물에 산소 빈자리를 도입해 효율적인 이기능성 촉매를 만들 수 있다는 걸 보여준 성과”라며 “산소 빈자리 자체가 촉매의 성능을 높이는 게 아니라는 걸 바로잡은 만큼, 새로운 접근법을 이용해 고효율 이기능성 촉매 개발을 가속할 수 있을 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원 사업, 한국동서발전 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 촉매분야 국제학술지 ‘ACS catalysis’에 3월24일에 온라인으로 공개됐다.