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인천대학교 신소재공학과 명재하 교수 연구팀 (공동 1저자: 김요한, 정현권, 원보람 박사과정 학생)은 페롭스카이트 산화물의 용출 현상 메커니즘 및 제어인자, 용출 나노입자 성장 극대화를 위한 최신전략에 대한 논문을 발표했다.
본 연구에서 다루는 용출법 (Exsolution method)은 산화물 지지체 격자 내부에 촉매 금속을 도핑한 후 환원 과정을 통해 표면에 고정형 나노입자 형태로 성장시키는 기술이다.
용출형 나노 촉매는 산화물 지지체에 고정된 소켓 (Socket) 구조이며 균일한 입자 분포를 나타내기 때문에 전기화학 반응이 일어나는 활성면적을 극대화할 수 있으며, 고온 응집현상 및 카본 침적에 대한 저항성을 높은 안정성을 보인다.
이러한 용출형 나노 촉매의 특성 이해를 통해 수소연료전지, 수전해전지, 개질촉매 등에 다양한 분야에서 활용할 수 있음을 제시하였다.
이번 연구는 반응속도론 (Kinetics), 열역학 (Thermodynamics), 양자역학 (Quantum mechanics) 등 다양한 관점에서 용출 소재 설계, 핵생성, 성장, 형상변화 메커니즘을 명재하 교수팀의 최근 연구결과와 최신의 다양한 연구그룹에서 제안한 성장 제한요인들을 극복하는 최신전략을 종합하여 장단점을 분석했다.
그러나 용출 나노입자의 특성과 제어인자 사이의 복잡한 관계를 더 이해하기 위해서는 소재별 특성, 성장 조건을 고려해야 하고 다각적인 분석실험과 이론적 모델링을 융합하는 연구가 많이 필요함을 강조했으며 용출 기술이 나아가야 할 바를 심도 있게 제시했다.
이번 연구는 인천대 명재하 교수팀 단독으로 수행한 연구로 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단-우수신진연구 및 산업통상자원부-신재생에너지핵심기술개발사업의 지원을 받았으며, 나노분야 국제학술지 나노-마이크로 레터스 (Nano-Micro Letters, IF=26.6)에 실렸다.
[그림 설명]
페롭스카이트 산화물 소재에서의 나노입자 용출은 핵생성-소켓팅(Socketing)-성장의 과정을 거쳐 형성되며, 특수한 조건에서 용출 입자의 형상변화가 일어난다.
용출 현상의 대표적인 제어인자로는 격자 응력, 환원 온도, 환원 시간, 산소 분압 (pO2), 화학량론 등이 있다.
용출법을 통해 성장시킨 나노입자는 기존 방법 (물리적 증착법, 함침법)과 달리 균일한 입자 분포를 가지며, CH4, CO 등 탄소 기반 연료에서 탄소 침적에 대해 강한 저항성이 있고, 산화/환원 반응 반복을 통해 자가 재생이 가능하다.
용출 나노입자의 핵생성 및 성장 극대화를 위한 최신전략으로 (1) 상변화, (2) 플라즈마, 광 레이저 등 높은 에너지, (3) 전기화학적 포텐셜을 활용하는 방법이 있다.
