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백금 대체할 새로운 산소환원반응 촉매 개발
 
    -  레이저 식각법 도입, 성능 비슷하고 저렴한 란탄늄망간네이트 산화물 촉매 개발
    -  GIST 조지영 교수팀, 촉매 분야 전문 학술지 Journal of catalysis 논문 게재 
 
 
 
     그림1
 
 
[그림 1] LaMnO3+d 물질 타깃을 용액 속 레이저 식각법을 통해 합성하여 LaMnO3+d 분말을 얻은 후 그라파이트화 탄소와 결합한 열처리를 통해 결정화된 LaMnO3+d 촉매 분말을 만드는 과정의 모식도
 
 
 
□ GIST(광주과학기술원) 연구진이 용액에 담긴 물질을 레이저로 분쇄하는 방법을 도입해 배터리 및 연료전지에 사용될 수 있는 새로운 촉매 물질을 개발했다.
 
  ∘ 조지영 교수팀(신소재공학부)이 개발한 산소 환원 반응 촉매는 기존에 많이 사용되는 값비싼 백금(Pt)을 대체함으로써 배터리나 연료전지 개발 비용을 크게 절감하고 실용화 연구에 기여할 것으로 기대된다.
 
□ 현재 가장 많이 사용되는 촉매인 백금의 경우 산소 환원 활성도*가 높고 낮은 작동 전압 및 안정성을 장점으로 갖지만, 값비싼 희귀 금속이어서 실용화 연구와 기술 산업화에 제한이 있다.
  * 산소 환원 활성도 : 촉매 반응에서 산소가 환원이 얼마나 잘되는지를 물질의 질량 혹은 전극의 넓이당 전류 밀도로 나타낸 값
 
  ∘ 특히 촉매용 백금 분말을 만들기 위한 기존 화학합성법에서는 계면 활성제나 환원제, 산화제 등이 첨가되는데, 이 과정에서 불순물이나 오염 물질이 발생할 수 있고 합성 시간이 길기 때문에 백금을 대체할 촉매 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 
 
 
 
                   그림2
 
[그림 2] LaMnO3+d 촉매의 산소 환원 반응 특성 분석 (a,b)과 전자 현미경 사진(c,d)(a) 산소 환원 반응의 분극 곡선. 용액 속 레이저 식각법과 열처리를 이용하여 합성한 LaMnO3+d 촉매의 경우 벌크 물질 보다 더 높은 onset potential을 보이면서 더 빠르게 반응이 일어나며 작동 전압 부근 (0.7 V ~ 0.8 V)에서의 전류 밀도도 매우 높은 것을 확인 할 수 있다. 이는 상용적으로 쓰이는 Pt/C 20 wt% 촉매와 매우 흡사한 특성을 보여준다. (b) 작동전압 (0.8 V) 에서의 질량당 활성도 및 비활성도. 합성된 LaMnO3+d 촉매가 벌크 물질에 비해 질량당 활성도가 약 20배, 비활성도는 약 2배 이상 커짐을 보여준다. (c), (d) 합성된 LaMnO3+d 촉매 분말의 전자 현미경 사진. 약 24nm 크기로 결정화 된 모습을 확인 할 수 있다.
 
 
 
□ 연구팀은 용액 속에 든 원형 디스크 모양의 란탄늄망간네이트(LaMnO3+d) 타깃에 레이저를 쏘아 분쇄하는 레이저 식각법을 활용, 페로브스카이트* 구조를 가지는 나노미터 크기의 란탄늄망간네이트 촉매를 개발했다. 
  * 페로브스카이트 : 러시아 광물학자 L. A. Perovski의 이름을 따서 만들어진 물질의 구조 이름으로 일반적인 화학식은 ABX3 이며 2개의 A, B 양이온과 하나의 X 음이온으로 이루어져 있다. B 이온과 산소(O)가 이루는 정 팔면체 구조로 인한 d 밴드의 전자 구조의 특이성으로 인하여 산소 환원 촉매로 주목받고 있는 물질의 구조이다.
 
  ∘ 연구팀은 레이저 식각법으로 LaMnO3+d 분말을 얻은 후 그라파이트화 탄소와 결합한 열처리를 통해 결정화된 LaMnO3+d 촉매 분말을 얻었다. 이 촉매로 산소 환원 반응 특성을 실험한 결과, 상용화 돼 있는 백금 촉매와 비교해 작동 전압(0.8V)에서의 질량당 활성도는 약 20배, 비 활성도는 약 2배 이상 커짐을 확인했다.
 
□ 조지영 교수는 “이번 연구는 현재 대부분의 배터리나 연료전지에 쓰이는 값비싼 백금을 대신해 사용될 수 있는 산화물 촉매를 빠르고 고순도로 제작하는 기술을 개발한 것”이라며 “향후 에너지 분야에서 적극 활용 가능할 수 있다”고 말했다. 
 
 
                   조지영 교수팀
                         (왼쪽부터) 조지영 교수, 김완식 박사과정생, 고피나탄 아눕 박사
 
□ 조지영 교수(교신저자)가 주도하고 김완식 박사과정생과 고피나탄 아눕(Gopinathan Anoop) 박사(공동 제1저자, 박사 후 연구원)가 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 신진연구자 지원사업과 리서치 펠로우 지원사업의 지원을 받았으며, 촉매 전문 분야 학술지인 저널 오브 커탤러시스(Journal of Catalysis) 2016년 11월 19일자 온라인에 게재되었다.     <끝>
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