최근ﾠ전도성 페로브스카이트ﾠ산화물ﾠ지지대ﾠ위에ﾠ금속 나노 입자를ﾠ형성하여ﾠ촉매ﾠ특성과ﾠ안정성을 동시에ﾠ달성하는ﾠ이종구조ﾠ전극(heterogeneous electrode)에ﾠ관한ﾠ연구가ﾠ활발히ﾠ진행되고ﾠ있는 가운데, POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀은 안정성을 유지한 상태에서 전극의 전도도를 극대화하기 위해서 주석 산화물 신소재에 깊숙이 박힌 금속 나노 입자를 형성하는 독특한 합성 방식을 제안했다. 

POSTECH 신소재공학과 손준우 교수(교신저자), 유상배 박사, 통합과정 윤다섭 씨(공동 제1저자) 연구팀은 높은 전기전도도의 페로브스카이트 주석 산화물 위에 금속 나노 입자의 용출 현상을 구현했다. 이 연구성과는 나노·재료분야 전문 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 최신판에 게재됐다. 

페로브스카이트 구조에 손상을 주지 않고 안정적으로 이종구조ﾠ전극을ﾠ형성하는ﾠ많은ﾠ방법ﾠ중에서 금속 입자를ﾠ산화물ﾠ내부ﾠ격자에ﾠ도핑한ﾠ후, 후속 열처리를ﾠ통해서ﾠ표면으로ﾠ분리하는ﾠ실시간ﾠ용출* (in situ exsolution) 은ﾠ효과적인 방법으로 알려져 있다. 

지금까지 개발된 기술은 대부분 LaxSr1-xTiO3(이하 LSTO) 와ﾠ같은ﾠ페로브스카이트ﾠ타이타늄ﾠ산화물ﾠ전극에서 나온ﾠ금속ﾠ입자(Ni)로ﾠ전극을 이용했다. 하지만 LSTO 전도성 산화물의ﾠ전자의ﾠ이동은ﾠ좁은ﾠ아령 모양의 Ti 3d 오비탈 간의 이동으로 인해ﾠ전기전도도를ﾠ높이는데ﾠ어려움이ﾠ있었다. 

연구팀은ﾠ기존의ﾠ에너지ﾠ변환용ﾠ전극ﾠ소재로는ﾠ많은ﾠ관심을ﾠ받지ﾠ않았던ﾠ페로브스카이트ﾠ주석ﾠ산화물(LaxBa1-xSnO3, 이하 LBSO)에ﾠ주목했다. LBSO는 기존의 LSTO와는ﾠ달리ﾠ방향성이ﾠ없는ﾠ넓은ﾠ구형 모양의 Sn 5s 오비탈로 이루어져서ﾠ전자가ﾠ방해받지ﾠ않고ﾠ효율적으로ﾠ전류를ﾠ전도할ﾠ수ﾠ있는ﾠ소재이다. 

이 LBSO에 니켈(Ni)을ﾠ도핑한 후,ﾠ적절한 열처리를ﾠ하면ﾠ격자구조를 유지한ﾠ상태에서ﾠ높은ﾠ밀도와ﾠ작은ﾠ크기의 Ni 나노ﾠ입자를 표면에 용출할 수 있게 된다.  

이렇게 형성된 Ni 나노 입자는ﾠ고온, 연료극ﾠ환경에서도ﾠ안정적으로ﾠ주석ﾠ산화물과ﾠ강하게 결합돼 있으며, 지금까지 발표된 이종구조 전극 중 가장 높은 전기전도도(~700 Scm-1)를 보였다. 이것은 기존에 보고된 용출ﾠ현상 기반 전극의ﾠ전기전도보다 10배ﾠ이상이ﾠ높은 것이다. 

이번 연구를 통해 기존ﾠ용출ﾠ현상ﾠ기반ﾠ이종구조ﾠ전극의ﾠ성능을ﾠ획기적으로 개선할ﾠ수ﾠ있는ﾠ신소재ﾠ기반ﾠ전극ﾠ구조를ﾠ개발할ﾠ수ﾠ있는ﾠ토대가ﾠ마련됐다. 이 기술을 활용하면, 고온 고체산화물형(SOFC)ﾠ연료ﾠ전극에ﾠ응용이ﾠ가능할ﾠ뿐만ﾠ아니라ﾠ상온ﾠ에너지ﾠ변환, 저장용ﾠ전극에도 응용이ﾠ가능할ﾠ것으로ﾠ기대된다.

교신저자로 연구를 주도한 손준우 교수는 "이번  연구는  열역학적인 원리를 기반으로 전자 수송이 극대화된 산화물 소재에서 금속 입자 표면 용출 현상을 최초로 구현한 연구다"며 "전자 전도 기작이 다른 이와 같은 신소재 이종구조 형성 기술을 이용하면, 기존 전극의 대비 획기적으로 높은 전기전도도 달성이 가능해 현재 사용되고 있는 에너지 변환 소자 전극의 한계를 돌파할 수 있다"며 의의를 설명했다. 

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업의 지원으로 수행됐다. 

이진영 다른기사 보기