개발된 불소가 도핑된 주석 산화물 에어로겔 기반 전기촉매의 합성 공정 모식도(연세대 박형호 교수 제공) © 뉴스1

세상에서 가장 가벼운 고체로 알려진 3차원의 에어로겔.

여기에 나노 기공구조를 적용, 친환경 그린 수소 생산 핵심 기술인 수전해(Water electrolysis)에 사용되는 고성능 전기 촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다.10일 한국연구재단에 따르면 연세대 박형호 교수 연구팀이 새로운 고성능 수소 발생 촉매 소재로 불소가 도핑된 주석 산화물 에어로겔 소재를 개발하는 데 성공했다.

에어로겔(Aerogel)은 머리카락 굵기의 1/10000 크기인 나노입자가 서로 얽혀있는 구조로 전체 부피의 최대 99%가 공기로 이루어져 지구상에서 가장 가벼운 고체다.

수소 발생 촉매는 그린 수소를 얻는 수전해 과정에 필수 요소이다.

수소 발생 촉매 중 유일하게 상용화된 전기 촉매인 백금·탄소는 높은 촉매 특성을 나타낸다.

하지만, 사용 시간의 증가에 따라 백금·탄소에 있는 탄소가 분해·산화돼 촉매 성능이 심각하게 저하되는 단점이 있다.

이에 연구팀은 에어로겔 구조를 갖는 주석 산화물을 합성한 뒤 불소 도핑을 통해 높은 전기전도도를 보유한 불소가 도핑된 주석 산화물 에어로겔을 합성했다.연구팀이 개발한 에어로겔은 약 20g으로 축구장의 면적을 덮을 수 있을 만큼의 큰 비표면적을 갖는 소재로 나노 구조와 표면 활성을 극대화할 수 있다.

연구팀은 개발한 에어로겔을 전기 촉매의 구조 지지체로 적용하고 백금 나노 클러스터를 복합화해 강한 분자간 힘을 바탕으로 전하의 이동을 극대화 시켰다.

그 결과, 기존 백금·탄소 촉매 대비 약 22배의 수소변환 효율과 5.4배의 내구성을 갖는 전기 촉매를 만드는 데 성공했다.

박형호 교수는 “비단 촉매뿐만 아니라 큰 비표면적과 높은 전기전도도가 모두 필요한 센서, 디스플레이, 연료전지, 열전 분야에 전극 소재 등으로 적용이 가능하다”고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 나노소재 분야 국제학술지 ‘ACS Nano’ 1월4일자 온라인판에 게재됐다.


km5030@news1.kr