연구성과

신소재 손준우 교수팀, 이종구조 전극 연료전지 한계를 극복하다

2020-04-29 511

– 페로브스카이트 주석 산화물 전극의 용출현상 구현
-소재 원천기술 확보…에너지 변환 및 저장 효율 개선 기대

최근 전도성 페로브스카이트 산화물 지지대 위에 금속 나노 입자를 형성하여 촉매 특성과 안정성을 동시에 달성하는 이종구조 전극(heterogeneous electrode)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, POSTECH 연구팀은 안정성을 유지한 상태에서 전극의 전도도를 극대화하기 위해서, 주석 산화물 신소재에 깊숙이 박힌 금속 나노 입자를 형성하는 독특한 합성 방식을 제안했다.

신소재공학과 손준우 교수(교신저자), 유상배 박사, 통합과정 윤다섭 씨(공동 제1저자) 연구팀은 높은 전기전도도의 페로브스카이트 주석 산화물 위에 금속 나노 입자의 용출 현상*1을 구현했다. 이 연구성과는 나노·재료분야 전문 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 최신판에 게재됐다.

페로브스카이트 구조에 손상을 주지 않고 안정적으로 이종구조 전극을 형성하는 많은 방법 중에서 금속 입자를 산화물 내부 격자에 도핑한 후, 후속 열처리를 통해서 표면으로 분리하는 실시간 용출 (in situ exsolution)은 효과적인 방법으로 알려져 있다.

지금까지 개발된 기술은 대부분 LaxSr1-xTiO3(이하 LSTO)와 같은 페로브스카이트 타이타늄 산화물 전극에서 나온 금속 입자(Ni)로 전극을 이용했다. 하지만 LSTO 전도성 산화물의 전자의 이동은 좁은 아령 모양의 Ti 3d 오비탈 간의 이동으로 인해 전기전도도를 높이는데 어려움이 있었다.

연구팀은 기존의 에너지 변환용 전극 소재로는 많은 관심을 받지 않았던 페로브스카이트 주석 산화물(LaxBa1-xSnO3, 이하 LBSO)에 주목했다. LBSO는 기존의 LSTO와는 달리 방향성이 없는 넓은 구형 모양의 Sn 5s 오비탈로 이루어져서 전자가 방해받지 않고 효율적으로 전류를 전도할 수 있는 소재이다.

이 LBSO에 니켈(Ni)을 도핑한 후, 적절한 열처리를 하면 격자구조를 유지한 상태에서 높은 밀도와 작은 크기의 Ni 나노ᅠ입자를 표면에 용출할 수 있게 된다.

이렇게 형성된 Ni 나노 입자는 고온, 연료극 환경에서도 안정적으로 주석 산화물과 강하게 결합돼 있으며, 지금까지 발표된 이종구조 전극 중 가장 높은 전기전도도(~700 Scm-1)를 보였다. 이것은 기존에 보고된 용출 현상 기반 전극의 전기전도보다 10배 이상이 높은 것이다.

이번 연구를 통해 기존 용출 현상 기반 이종구조 전극의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 신소재 기반 전극 구조를 개발할 수 있는 토대가 마련됐다. 이 기술을 활용하면, 고온 고체산화물형(SOFC) 연료 전극에 응용이 가능할 뿐만 아니라 상온 에너지 변환, 저장용 전극에도 응용이 가능할 것으로 기대된다.

교신저자로 연구를 주도한 손준우 교수는 “이번 연구는 열역학적인 원리를 기반으로 전자 수송이 극대화된 산화물 소재에서 금속 입자 표면 용출 현상을 최초로 구현한 연구다”며 “전자 전도 기작이 다른 이와 같은 신소재 이종구조 형성 기술을 이용하면, 기존 전극의 대비 획기적으로 높은 전기전도도 달성이 가능해 현재 사용되고 있는 에너지 변환 소자 전극의 한계를 돌파할 수 있다”며 의의를 설명했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업의 지원으로 수행됐다.
 


1. 용출현상(exsolution)
가열하면 소재 내부에 있던 금속이 표면으로 석출/분리되는 현상(또는 석출/분리하는 조작)