은 나노촉매에 숨은 스위치가 있다, 과학자들이 발견 (기분에 따라 일을 바꾼다)

연구진은 동일한 은(Ag) 나노촉매가 고체산화물 전지가 전기를 생산하는지 또는 수소를 생산하는지에 따라 서로 다른 반응 부위에서 작동할 수 있다는 사실을 처음으로 발견했습니다. 이 발견은 차세대 에너지 장치의 성능을 향상시키기 위한 새로운 설계 방식을 제시합니다. 하나의 촉매 트릭으로 만족할 이유가 없으니까요.

이 연구는 서울대학교 재료공학부 정우철 교수와 한정우 교수, KAIST 김상욱 교수팀, 한국기초과학지원연구원 정범균 박사팀이 공동으로 수행했습니다. 연구 결과는 은 나노촉매가 고체산화물 전지의 성능을 어떻게 향상시키는지 명확히 보여주며, 산소 반응의 위치와 메커니즘이 전지의 사용 방식에 따라 달라진다는 것을 보여줍니다. 마치 스위스 아미 나이프가 수프를 먹을 때만 숟가락이 되기로 결정하는 것과 비슷합니다.

고체산화물 전지는 고체 물질을 통해 산소 이온을 이동시켜 두 가지 다른 기능을 수행합니다: 전기를 생산하거나 물을 분해하여 수소를 생산할 수 있습니다. 이러한 다재다능함 때문에 이 기술은 청정 에너지와 수소 사용을 확대하는 중요한 옵션으로 간주됩니다. 잠재적 응용 분야는 건물과 공장의 분산형 열병합 발전 시스템(고온 열을 활용하면서 전기를 생산)부터 재생 에너지 기반 그린 수소 생산까지 다양합니다. 이 연구 결과는 세계적으로 유명한 학술지 'Energy & Environmental Science'에 게재되었으며, 중요성을 인정받아 뒷표지 기사로 선정되었습니다. 뒷표지에 실리는 것이 과학계에서 기립 박수를 받는 것과 같기 때문입니다.

촉매가 작용하는 위치를 정확히 찾아내다

고체산화물 전지의 성능과 내구성은 공기극에서 산소 반응이 얼마나 빠르게 일어나는지에 크게 좌우됩니다. 그러나 실제 전극은 복잡한 구조를 가지고 있어 연구자들이 나노촉매가 반응에 참여하는 정확한 위치와 성능 향상 방식을 결정하기 어렵습니다. 이전 연구에서 금속 나노촉매가 전지 성능을 향상시킬 수 있다는 것이 이미 밝혀졌지만, 촉매 활성의 대부분이 촉매 표면에서 직접 일어나는지 아니면 촉매와 전극이 접촉하는 경계에서 일어나는지는 불분명했습니다. 또한 연구자들은 전기 생산과 수소 생산 모두에 동일한 촉매 메커니즘이 책임이 있는지도 알지 못했습니다.

이러한 질문을 조사하기 위해 연구팀은 기존 전극의 훨씬 더 복잡한 구조에 의존하는 대신 구조와 조성을 신중하게 제어한 모델 전극을 만들었습니다. 균일한 크기와 간격을 가진 금속 나노입자를 규칙적인 패턴으로 배열하여 촉매 역할을 훨씬 더 정밀하게 조사할 수 있었습니다. 과학자들은 먼저 은, 코발트, 팔라듐, 백금을 포함한 여러 금속 나노촉매를 비교했습니다. 각각을 박막 페로브스카이트 산화물 전극에 증착하고 산소 반응을 가속화하는 능력을 테스트했습니다. 은은 테스트한 금속 중에서 가장 강력한 촉매 향상을 보였습니다. 백금, 이겼다.

그런 다음 연구자들은 은 나노입자의 크기와 배열을 변경하여 가장 중요한 반응이 일어나는 위치를 결정했습니다. 산소 환원 반응(전기 생산) 동안 반응 속도는 은 나노입자와 전극 사이의 경계 길이가 증가함에 따라 증가했습니다. 이는 전지가 전기를 생산할 때 은과 전극 사이의 계면이 주요 반응 부위임을 보여줍니다. 산소 발생 반응(수소 생산) 중에는 상황이 달라졌습니다. 이 모드에서는 반응 속도가 은 나노입자의 표면적에 따라 증가했습니다. 이 결과는 수소 생산 중에는 은 입자 자체의 표면이 주요 반응 부위가 된다는 것을 보여줍니다.