격자 산소 기작으로 고효율 산소 발생이 가능한 비스무트 기반 촉매 최초 개발 

화학·환경공학 분야 최고 수준의 학술지 「Applied Catalysis B: Environmental」 게재

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동국대와 국민대 연구팀이 고효율 장시간 안정성을 지닌 산소발생촉매를 개발했다. 

동국대(총장 윤성이)는 동국대 물리반도체과학부 손정인 교수, 조승환 연구원(박사과정생 제1저자)과 국민대 신소재공학과 홍승현 교수가 이끄는 연구팀이 비스무트를 활용해 격자 산소 기작(Lattice Oxygen Mechanism, LOM)으로 효율적 산소 발생이 가능하며 실용적으로도 활용도가 높은 전류 밀도 (1000 mA cm-2)에서 장시간의 안정성을 지닌 산소발생촉매를 개발했다고 밝혔다.

기존의 산소 발생 기작은 전해질의 이온 흡착을 통해 산소를 발생시키는 반응으로 성능 향상에 한계가 있다. 격자 산소 기작은 촉매 내부의 산소를 활용한 산소 발생 반응으로 이론적 한계를 뛰어넘는 성능을 낼 수 있지만, 철 등의 금속 이온 용해로 인한 구조적 불안정성으로 높은 전류에서의 장시간 활용이 제한되는 문제점을 가지고 있다.

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 비스무트 산소발생촉매의 형성반응과 절단면 모식도 (상단). 비스무트 산소발생촉매의 격자 산소 기작 (좌측 하단) 및 반응 역학 (우측 하단).

이를 보완하기 위해 연구팀은 비스무트를 활용하여 격자 산소 기작으로 산소를 발생시키는 촉매를 최초로 구현했다. 비스무트 산소발생촉매는 합성 중간체의 환원을 제어하는 방법으로 개발되었으며, 활성 위치가 풍부한 비스무트 금속/비스무트-철 옥시수산화물 헤테로구조를 보였다. 또한, 촉매 내부에 과산화종을 증가시켜 격자 산소 기작의 에너지 장벽을 낮추었으며, 금속 이온의 용해를 효과적으로 억제하여 전기촉매의 실용적 활용 기준에 부합하는 성능 및 안정성을 보였다. 

손정인 교수는 “비스무트는 산소와 효과적으로 혼성화할 수 있는 금속으로 금속-산소의 공유 원자가(covalency)를 향상시켜 격자 산소 기작에 따른 산소 발생 반응을 안정화할 수 있기 때문에, 다양한 용도의 촉매 및 전기화학 소재로 활용이 기대된다”고 설명했다. 이어 “높은 전류에서 안정성을 갖는 산소발생촉매는 실용적 활용에 요구되는 극한 조건에서 작동하는 수전해 전지에 활용 가능할 것”이라며 기대감을 나타냈다.

해당 연구과제는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 대학중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행하였다.

한편, 이번 연구결과는 화학·환경공학 분야 최고 수준의 학술지 「Applied Catalysis B: Environmental (IF=24.319, JCR 상위 0.93%)」 7월호에 게재됐다.