– 준금속 원소와 금속 나노입자 간 상호작용 이용해 수전해 촉매 성능 및 안전성 향상 –

원광대학교 창의공과대학 화학공학과 전인엽 교수 연구팀 논문 ‘수전해 성능 향상을 위한 준금속 안티몬으로 기능화된 그래피틱 나노플레이트에 담지된 백금 나노입자’ 연구가 국제전문학술지 Small(IF: 13.0)에 온라인으로 게재됐다.

전인엽 교수와 울산과학기술원 백종범 교수, 고려대 곽상규 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 준금속 안티몬(Sb)과 백금(Pt) 나노입자 간 상호작용을 통해 촉매의 활성과 안정성을 높일 수 있음을 입증하고, 이를 통해 수전해 촉매의 상용화 가능성을 보여줬다.

특히 연구팀은 귀금속 사용량을 최소화하는 동시에 활성과 안정성이 좋은 새로운 촉매 개발을 목표로 촉매 지지체 역할에 주목했으며, 비금속으로 기능화된 탄소 지지체는 금속 나노입자와 상호작용이 약해 상용화를 위한 촉매 성능 향상에 한계가 있다는 점을 착안해 다양한 산화 상태를 가지는 준금속 안티몬을 그래피틱 나노플레이트의 가장자리에 도입해 새로운 촉매 지지체(SbGnP)를 제조했다.

연구 결과 탄소 지지체에 도입되는 일반적인 저주기 비금속 헤테로원자(N, O, P, S 등)와 달리 다양한 산화 상태(SbOx)를 가지는 고주기 준금속 Sb는 백금 나노입자를 안정적으로 고정할 수 있는 강력한 결합 부위를 제공함으로써 백금 나노입자의 응집을 억제하고, 백금의 전자 구조를 조절함으로써 전자 전달 효율을 증가시키는 데 성공했다.

또한, Pt@SbGnP는 상용 촉매 Pt/C(백금: 20%)보다 낮은 백금 함량(13.3%)에도 불구하고 더 낮은 과전압과 Tafel 기울기를 나타냈으며, 우수한 안정성과 더불어 Pt/C보다 높은 수소 발생량을 달성하는 등 상용화 가능성을 보여줬다.

교신저자인 전인엽 교수는 “이번 연구는 준금속이 도입된 촉매 지지체를 통해 촉매 성능을 개선할 수 있다는 점과 기존 백금 촉매를 대체할 수 있는 새로운 촉매의 상용화 가능성을 보여주었다는 점에서 큰 의의를 갖는다”며 “이를 통해 고효율 수소 생산을 위한 소재 설계에 새로운 방향성을 제시했다”고 설명했다.