▲ 한국에너지기술연구원이 개발한 기술이 적용된 촉매와 코에쉘 구조 촉매 모형

국내 연구팀이 유해기체인 일산화탄소(CO)를 활용해 원자층 수준에서 금속 나노입자 표면을 제어하는 기술을 개발하고 나노입자 제조 기술 고도화에 기여할 전망이다.

한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 에너지연)은 수소연료전지연구실 박구곤·권용민·이은직 박사 연구팀이 인체에 유해한 CO를 활용해 금속을 0.3 나노미터(머리카락 굵기의 30만분의 1 수준의 두께에서 정밀 제어하는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

해당 기술을 활용하면 연료전지의 경제성을 좌우하는 ‘코어-쉘(Core-shell) 촉매’를 기존보다 쉽고 빠르게 생산할 수 있어 관련 산업 활성화에 크게 기여할 것으로 전망된다.

코어-쉘 구조 촉매는 촉매를 구성하는 알맹이와 껍질을 서로 다른 금속으로 만든 촉매를 의미한다. 대체로 알맹이(이하 ‘코어’)에는 저가 금속이 활용되고, 껍질(이하 ‘쉘’)에는 연료전지의 반응을 촉진하는 백금이 활용된다. 이를 활용하면 값비싼 백금을 소량만 사용해도 성능을 유지할 수 있어 연료전지의 경제성을 높이는 핵심 요인으로 평가받는다.

고성능의 코어-쉘 구조를 만들기 위해서는 0.3 나노미터 수준의 쉘을 코어 표면에 정밀 코팅해야 한다. 이를 위해 코어에 저가 금속인 구리를 얇게 깔고, 그 위에 백금을 증착하는 ‘언더포텐셜 구리 증착법’(Cu-UPD)을 주로 활용한다.

그러나 이 방식은 구리를 원자층 수준으로 코팅하기 위해 매우 정밀한 전압 조절과 금속 표면의 산화물층을 제거하는 추가 공정, 별도의 환원제도 필요하다. 이 때문에 대량 생산 과정이 복잡해지고 생산에 많은 시간이 소요된다는 문제가 있었다.

연구진은 CO의 산화-환원 반응을 이용한 ‘CO 흡착 유도 증착법’(CO AID, CO Adsorption-Induced Deposition)을 개발했다. 이를 활용하면 기존 방식에서 요구하는 추가 공정과 환원제 없이도 금속을 정밀 코팅할 수 있어, 공정에 들이는 시간을 기존 공정 대비 10분의 1 수준으로 줄일 수 있다.

연구진은 CO가 가진 강한 흡착력에 주목했다. CO는 금속에 흡착하는 성질이 있어, 사람이 흡입하면 혈액 속의 철 이온에 강하게 흡착하고 산소 운반을 막아 건강에 심각한 영향을 미쳐 대표적인 유해기체로 분류된다.

이에 착안한 연구진은 CO를 코어 금속의 표면에 단일 분자층 형태로 흡착되게 했다. 이후 분자층 위에 백금 입자만 선택적으로 환원시켜 0.3 나노미터 수준의 두께로 제어하는 데 성공했다.

이를 활용하면 최소 30분에서 최대 2시간 이내에 킬로그램 단위의 코어쉘 촉매를 합성할 수 있어, 약 24시간 이상 소요되는 기존 구리 증착법의 공정시간을 크게 단축한 성과다. 또 CO의 자발적인 산화-환원 반응을 이용하기 때문에 별도의 전기화학 장치나 환원제 없이 공정을 구성할 수 있다는 장점도 있다.

연구진은 개발된 기술을 바탕으로 팔라듐, 금, 이리듐 등의 금속에 백금을 얇게 입힌 코어-쉘 구조 촉매를 제작했다. 이 중 팔라듐 기반의 백금 코어쉘 촉매는 상용화된 백금/탄소(Pt/C) 촉매보다 산소환원반응(ORR)은 약 2배, 내구성은 1.5배 향상된 것을 확인했다.

박구곤 박사는 “이번 연구는 CO의 유해성을 나노 수준 박막 제어의 도구로 전환 시킨 발상에서 출발했다”며, “원자 단위에서 물질을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 합성 패러다임을 제시한 것으로, 공정시간도 대폭 단축해 상용화 가능성이 매우 높은 기술”이라고 밝혔다.

권용민 박사는 “CO라는 간단한 분자를 활용해 원자층 수준에서 금속 나노입자 표면을 제어할 수 있다는 점에서, 향후 연료전지 촉매 제조 공정뿐만 아니라 반도체, 박막 소재 등 나노입자 제조 기술 고도화에 큰 파급력을 가질 것”이라고 말했다.