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백금의 양을 극소화시킨 백금 기반의 촉매

<KISTI의 과학향기> 제3302호

미 에너지부의 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)의 연구진은 현재 사용되는 백금의 양보다 약 1/4 정도 적게 사용되는 새로운 촉매를 개발했다.
 
백금은 은 또는 금보다 희귀한 귀금속이다. 이 금속은 전기화학적 반응에서 놀라운 안정성과 활성을 가지고 있기 때문에 다양한 분야의 촉매로 사용되고 있다. 백금이 희귀하고 고가이기 때문에 이것을 대체할 수 있는 촉매를 만들려는 노력이 그동안 있었다.
 
연료 전지의 경우에, 백금 촉매에 의해서 물이 수소와 산소로 분리된다. 이런 산화 환원 반응에는 다량의 백금이 필요하다. 이번 연구진은 백금 활용을 매우 낮출 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 우선, 촉매의 가용성과 반응성을 극대화하기 위해서 백금의 모양을 조절했다. 몇 층의 순수한 백금 원자들은 코어-쉘(core-shell) 구조를 형성하도록 코발트-백금 합금 나노입자 코어를 덮었다.
 
백금-코발트 코어-쉘 구조는 더 많은 수의 촉매 활성 입자가 촉매 표면에 퍼지게 한다. 그러나 이런 코어-쉘 나노입자는 자체적으로 산소의 대량 유입을 처리할 수 없다. 그래서 백금 합금 나노입자의 지지체로서 촉매적으로 활성인 백금족(platinum group metal, PGM)-프리(free) 기질을 사용했다.
 
전구체로서 금속 유기 구조체를 사용함으로써 코발트-질소-탄소 복합체 기질을 제조할 수 있었다. 이것은 촉매적으로 활성 센터가 백금-코발트 입자 근처에서 균일하게 분포되었다. 이러한 활성 센터는 스스로 산소 결합을 부술 수 있다. 결과적으로, 새로운 촉매는 백금만을 사용했을 때와 비교했을 때 활성과 내구성이 향상되었다.
 
제조 과정을 살펴보면, 우선 코발트가 함유된 금속-유기 구조체를 가열한다. 온도가 상승함에 따라서 코발트 원자의 일부가 유기물과 상호작용해서 PGM-프리 기질을 형성한다. 백금을 첨가한 후에 어닐링을 하면, 백금-코발트 코어-쉘 입자가 형성되고 이것은 PGM-프리 활성 영역으로 둘러싸여진다.
 
이 연구는 연료전지의 비용을 낮추는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 극소량의 백금만을 필요로 하기 때문에 기존의 내연기관을 연료전지 차량으로 더 용이하게 전환시킬 수 있게 할 것이다.
 
이 연구결과는 저널 Science에 “Ultralow-loading platinum-cobalt fuel cell catalysts derived from imidazolate frameworks” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/science.aau0630).

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