광주과학기술원(GIST) 물리·광과학과 문봉진 교수가 주도하고 서울대 물리천문학부 김용수 박사, 서울대 재료공학부 한승우 교수, 삼성디스플레이 전상호 박사 등이 참여한 연구팀은 이러한 내용의 연구 결과를 24일 발표했다.
이를 위해 연료전지 분야 연구자들은 백금의 함량을 낮추면서 산소환원반응 속도를 높이는 데 힘써 왔는데, 최근 백금에 전이금속을 넣은 합금에서 산소환원반응이 더 빠르게 일어남을 밝혀냈다. 하지만 이 메커니즘에 대한 정확한 원리와 전이금속의 역할 등에 대해서는 명확히 밝혀내지 못하고 있었다.
연구팀은 자동차에 사용되고 있는 고분자 전해질막 연료전지에서 최첨단 각도 분해 광전자 분광법을 이용해 산소흡착 과정 중에 일어나는 백금-전이금속 합금의 표면 전자구조의 변화를 측정·분석해 전이금속의 역할과 산호환원반응과의 상관관계를 명확하게 규명했다.
따라서 산소 원자는 순수 백금 위에서 보다 약하게 결합한 상태로 흡착되게 된다. 이러한 약한 결합상태로 인해 산소환원반응 역시 빨라지게 되는 것이다.
문 교수는 "이번 연구는 백금 층의 전자구조를 조절해 촉매반응속도를 조절할 수 있다는 것을 밝혀낸 것"이라며 "향후 다양한 방법으로 새로운 촉매 시스템을 디자인하고 개발할 수 있는 새로운 가능성을 연 것으로 평가할 수 있다"고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업으로 수행됐으며, 최근 물리·에너지 분야 국제 학술지인 Advanced Energy Materials에 게재됐다.
김보경 기자 bkly477@
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