한국연구재단은 포항공대(포스텍) 최창혁·한국과학기술원(KAIST) 김형준 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 오형석 박사 공동연구팀이 알칼리 금속 이온이 전기화학 반응에서 반응물과 결합해 촉매 역할을 할 수 있다는 사실을 규명했다고 21일 밝혔다.
주기율표 1족에 속하는 리튬·나트륨·칼륨·세슘 등은 '알칼리 금속'으로 불리며, 자연에서는 주로 양이온 형태로 존재한다. 대표적인 예가 바닷물 속의 소금이다. 알칼리 금속 이온은 자연에서는 주로 양이온 형태로 물 분자에 둘러싸여 있어 매우 안정된 상태로 존재해 쉽게 다른 물질과 반응하지 않는 것으로 알려져 있다. 이 때문에 알칼리 이온은 '구경꾼 이온'이라고 정의된다. 특히 전기화학 반응에서는 전류의 이동을 돕는 정도의 역할로만 이해해 왔다.
연구팀은 연료전지와 배터리 등에 널리 사용되는 탄소전극에서 산소가 물로 변환되는 전기화학 반응을 관찰했다. 이때 나트륨 이온의 전자 구조에 예기치 못한 변화가 발생한 것을 발견했다. 또 산소 분자 진동 측정 결과, 이 변화의 원인이 이산화 나트륨(NaO2)이라는 새로운 화합물 생성 때문임을 확인했다. 이는 알칼리 이온이 반응물과 직접 화학적으로 결합할 수 있음을 보여주는 결과로, 기존 내용을 뒤집는 발견이라고 연구팀은 설명했다.
이번 연구는 단순한 전극 개발에만 초점을 맞추던 기존 연구에서 벗어나 연료전지, 수전해, 탄소 자원화 등 새로운 에너지 경제의 핵심 기술을 제어하는 새로운 접근법을 제시한 것으로 평가된다.
최창혁 교수는 "알칼리 금속 이온은 전기화학 반응에서 더 이상 조연이 아닌, 반응을 변화시키는 촉매와 같은 주연인 것"이라며 "실제 상용화된 전기화학 시스템에 적용할 수 있는 추가 연구를 수행할 계획"이라고 말했다.
이번 연구 성과는 촉매 분야 국제학술지 '네이처 카탈리시스'(Nature Catalysis)'에 실렸다.
- 연합뉴스
- 저작권자 2024-12-30 ⓒ ScienceTimes
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