수소 경제의 필수적 공정인 물 분해, 속 빈 나노코일로 쉽게!
중공 나노코일 형태, 에너지·환경 및 바이오 분야 등으로 활용 기대
나노기술 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’ 표지논문으로 선정돼
▲ (왼쪽부터) 고려대 김영근 교수, 문준환 석박사통합과정생, 서울대 남기태 교수, 이무영 석박사통합과정생
우리 학회 학술부회장인 고려대학교 공과대학 신소재공학부 김영근 교수와 우리 학회 종신회원인 서울대학교 공과대학 재료공학부 남기태 교수의 연구팀이 공동연구를 통해 기존 물 분해 촉매 효율을 높일 수 있는 중공 나노코일 복합체를 개발했다.
이번 연구결과는 나노기술 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’ 표지 논문으로 선정됐으며, 9월 24일자로 온라인 게재됐다.
물 전기분해 반응은 전기를 이용해 청정에너지인 수소와 산소를 생성하는 친환경 에너지 전환 반응으로, 다가오고 있는 수소 경제에서 필수적인 공정으로 평가받고 있다. 자연계의 대표적인 물 분해 반응인 광합성에서는 망간과 칼슘을 기반으로 한 클러스터를 이용해 물 산화 반응을 진행하며, 이러한 망간-칼슘 클러스터에서 영감을 받아 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 망간 기반 전기촉매가 개발됐다. 그러나, 여전히 높은 과전압으로 인해 성능 향상의 새로운 돌파구를 찾기 위한 연구가 꾸준히 진행돼왔다.
연구팀은 물 분자가 접촉하는 전기화학 촉매의 활성 자리(active site)를 극대화할 수 있도록 3차원 구조에서 가장 넓은 표면적을 가질 수 있는 나선 모양의 나노코일 형태에 집중했다. 연구진은 전기도금법으로 나노코일 형태를 합성한 후, 전기화학적 경로차와 물질 확산 속도 차이를 이용하여 단일 및 다성분 3d 전이금속 기반 무기질 중공 나노코일들을 합성했다. 그 중 망간 기반 중공 나노코일에 산화 망간 나노입자를 부착시켜 기존에 보고된 망간 기반 촉매에 비해 표면적 및 활성 자리 수를 크게 증가시킨 나노복합체를 세계 최초로 개발했다.
연구팀은 “나선형 코일 구조에 나노입자들이 달라붙어 있는 새로운 나노구조는 간단한 방법만으로 전기촉매 성능을 효율적으로 증가시켜 기존과 다른 새로운 촉매 설계 방법론을 제시했다. 이외에도 중공 나노코일 구조체의 넓은 표면적과 활성자리 제어가 필요한 에너지·환경 및 바이오 분야로의 응용이 가능하다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.
▲ 그림1. 중공 나노코일의 합성과정. 물질 이동의 속도 차이와 전기화학적 경로 차이를 이용한 중공 나노코일 합성 모식도 (a) 깨끗한 표면을 가진 단일 성분 CrPO4 중공 나노코일 (b) 거친 표면을 가진 다성분 MnOxP0.21 중공 나노코일
▲ 그림2. 망간 기반 중공 나노코일 복합체의 물 전기분해 촉매 특성. (a) 망간 기반 중공 나노코일 복합체 형성 모식도 (b) 중성 pH 전해질에서의 물 전기분해 촉매 효율을 보여주는 순환 전류 그래프. 중공 나노코일 복합체(파란색 선)의 촉매 효율이 증가했음을 보여준다. (c) 전기화학적 활성 표면적 (Electrochemical active surface area; ECSA) 그래프. 중공 나노코일 복합체(파란색 선)의 기울기가 상승하여 활성 표면적이 증가했음을 보여준다.
■ 용어설명
1. 중공 나노코일
-속이 빈 튜브형 나노코일 형태를 의미함. 일련의 동심원을 공간적으로 연결하여 형성된 나노스케일의 코일 형태는 기존에 보고되지 않았던 새로운 물리·화학적 특성을 보여 관련 연구가 활발히 진행되고 있음. 그 중, 중공 나노코일은 구조적·방법론적 어려움으로 인해 제작과 그 응용분야가 지금까지 한정되었음.
2. 활성 자리
-촉매가 반응물과 충돌하여 반응을 촉진하는 실질적인 부위를 의미함. 촉매와 반응물의 충돌이 활발할수록 활성에너지가 낮아져 반응속도가 빨라짐.
3. 산화·환원반응
-산화(Oxidation)는 분자, 원자 또는 이온이 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 잃는 것을 말함.
-환원(Reduction)은 분자, 원자 또는 이온이 산소를 잃거나 수소 또는 전자를 얻는 것을 말함.
-산화와 환원은 서로 반대 작용으로, 한쪽 물질에서 산화가 일어나면 반대쪽에서는 환원이 일어남.
4. 갈바닉 교환 반응
-특정 조건에서 전기화학 포텐셜 차이에 의해 자발적으로 발생하는 산화·환원 반응.
5. 커켄달 효과
-두 종류 이상의 물질이 하나의 계면을 두고 상호 확산할 때, 물질 간 확산 속도 차이에 의해서 커켄달 공극이 생기는 현상. 확산 속도가 빠른 쪽에서 커켄달 공극이 생성되며, 반응이 진행될수록 중공화(Hollow process) 반응이 일어남.
■ 논문 정보
*논문제목: Inorganic Hollow Nanocoils Fabricated by Controlled Interfacial Reaction and Their Electrocatalytic Properties
*저자: 김영근 (교수) (교신저자/고려대학교), 남기태 (교수) (교신저자/서울대학교), 문준환 (제1저자, 고려대학교), 이무영 (제1저자, 서울대학교), 박범철 박사 (공동저자, 고려대학교), 전유상 박사 (공동저자, 고려대학교), 김승현 (공동저자, 고려대학교), 김태순 (공동저자, 고려대학교), 고민준 (공동저자, 고려대학교), 조강희 (공동저자, 서울대학교)
*URL: https://doi.org/10.1002/smll.202103575
-출처: 고대뉴스
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