울산과학기술원(UNIST) 연구진이 연료전지 등의 화학반응을 돕는 '촉매'의 성능을 향상하는 원리를 발견했다.

김건태·이준희 에너지 및 화학공학부 교수팀은 후기전이금속을 이용해 고성능 '페로브스카이트 산화물 촉매'를 만들고, 그 성능이 높아진 원리를 찾아냈다고 22일 밝혔다.

촉매 속 '산소 빈자리(물질 속에 남아 있는 산소 원자의 빈자리)'가 전이금속 구조를 바꿔 화학반응이 더 잘 일어나도록 돕는다는 내용이다.

페로브스카이트 산화물 촉매는 전기가 잘 흐르고, 산소 발생과 환원 양쪽 반응에서 모두 우수한 특징을 지닌다. 따라서 충·방전과 같이 반대되는 반응이 꾸준히 일어나는 금속-공기전지나 연료전지 등에 쓰일 후보로 꼽힌다.

기존 백금 등 귀금속 촉매는 비싸고 안정성이 낮아 대체 촉매 개발이 활발한 상황이다.

연구진은 촉매에서 산소 빈자리가 많을수록 성능이 좋다는 사실에 착안해 새로운 페로브스카이트 산화물 촉매(SSC)를 개발했다.

더불어 촉매의 물질 조성이나 물리·화학적 특성을 그대로 둔 채, 산소 빈자리만 조절하면서 나타난 변화를 살폈다.

그 결과 산소 빈자리가 후기전이금속 최외각 전자껍질(오비탈) 에너지 준위를 바꿔 전체 성능이 높아진다는 점을 알아냈다. 산소 빈자리가 늘어날수록 산소 발생과 환원 등 두 반응 모두 촉진된 것이다.

김건태 교수는 "후기전이금속 산화물에 산소 빈자리를 도입해 효율적인 촉매를 만들 수 있다는 점을 보여준 성과"라면서 "새로운 접근법을 이용해 고효율 촉매 개발을 가속할 수 있을 것"이라고 연구 의의를 밝혔다.

이번 연구는 촉매 분야 국제학술지 'ACS 카탈리시스'(ACS Catalysis) 3월 24일 온라인에 공개됐다.