투과전자현미경을 통해 관찰한 액상 내 준안정 팔라듐 수소화물 나노입자 생성과정 실시간 분석 (한국과학기술연구원 제공) 2022.03.23 /뉴스1

국내 연구진이 새로운 방식의 팔라듐-수소 화합물 생성 방법을 개발해, 국제 학술지 네이처(Nature)에 논문을 발표했다.한국과학기술연구원(KIST)는 23일 연구성과 브리핑을 열고 천동원 청정신기술연구본부 에너지소재연구센터 박사 연구팀이 밝힌 새로운 팔라듐 수소화물의 존재와 생성원리를 소개했다.

또 연구는 수소와 리튬 등의 경량 원소를 함유하는 합금 소재의 새로운 합성 방법론을 제시해, 수소 연료 전지와 저장 장치 등 친환경 에너지소재 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.

이번에 개발한 팔라듐-수소 화합물은 '준안정상'(metastable phase) 물질이다.

자연계의 물질은 열역학적으로 에너지가 낮은 안정상을 유지하는 경우가 많다. 하지만 일부 물질은 안정상에 비해 상대적으로 불안정하지만, 안정한 상태로 유지될 수 있는 '준안전상'을 보이기도 한다. 탄소만으로 이뤄진 흑연과 다이아몬드의 관계가 대표적이다. 다이아몬드는 흑연에 비해 열역학적으로 불안정하지만, 준안전상 상태를 탈출하기 위한 에너지가 커 더 안정한 흑연으로 쉽게 바뀌지 않는 상태를 유지한다.

그간 준안정상을 통해 새로운 성능을 갖는 소재의 개발에 대한 많은 연구가 이뤄졌으나, 절삭·가공용 다이아몬드 합성과 박막증착처럼 주로 경험적인 방법론에 의존해 한계를 보여왔다.

연구진은 준안정상 소재 개발의 체계적인 이론화를 위해, 투과전자현미경 액상셀 내부에 수소가 충분한 환경을 조성하고 팔라듐 결정을 성장시켰다. 그 결과 새로운 결정구조를 갖는 준안정상 팔라듐 수소화물을 직접 합성하는데 성공했다. 구체적으로 기존의 팔라듐 수소화물(안정상)은 면심입방구조(FCC)를 보이나 이번에 개발된 준안전상 팔라듐 수소화물은 육방밀집구조다.

이렇게 개발된 준안정상 팔라듐 수소화물은 안정상 소재보다 우수한 열 안정성과 더불어 수소 저장 성능이 2배에 가까운 것으로 확인됐다.

연구진은 이를 토대로 안정상 중심의 소재 개발 연구가 주종을 이뤄온 국제 연구계에 '다단계 결정화 과정'이라는 새로운 준안정 소재 개발 패러다임을 제시할 수 있게 됐다.

KIST 천동원 박사는 "새롭게 개발한 준안정상 소재합성방법론으로 경량원소가 포함된 합금신소재 개발의 중요한 원천기술을 마련하게 됐다"며 "추가 연구를 통해 수소, 리튬 등을 저장할 수 있는 준안정상 기반 친환경 에너지 소재 개발 등 새로운 소재 혁신의 전기가 될 수 있도록 노력하겠다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 미래 소재 디스커버리 사업 및 KIST 미래원천 청정 신기술 개발 사업으로 수행됐다.

제1저자로는 홍재영 박사과정 연구원, 배지환 KIST 연구원이, 교신저자로는 손창윤 포항공대 교수, 양용수 카이스트 물리학과 교수, 이영수 KIST 책임연구원, 유성종 KIST 책임연구원 등이 참여했다.


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