[충청뉴스 이성현 기자] 충남대학교는 유기재료공학과 진형민 교수가 건국대 정지원 교수와 차세대전지 기술인 아연-공기전지(Zn-air battery)의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 촉매 시스템을 개발했다고 27일 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’ 1월호 표지 논문으로 게재됐다.
이번 연구는 충남대 윤성운 석사과정과 건국대 부대권 학부연구생이 공동 제1저자로, 진형민 교수와 정지원 교수가 공동 교신저자로 참여했다.
공동 연구팀은 이번 연구를 통해 촉매 입자의 분산성과 안정성을 동시에 해결할 수 있는 새로운 합성 전략을 도입함으로써 아연-공기전지의 핵심 반응인 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction, OER) 효율 및 장기안정성을 크게 향상시켰다. 특히 이리듐(Ir)을 비롯한 다양한 금속 나노입자들을 안정적으로 분산시키는 기술을 개발, 기존의 촉매 대비 우수한 촉매활성과 장기 안정성을 구현했다.
고성능 촉매는 높은 활성을 유지하면서도 장기간 안정성을 확보하는 것이 핵심이다. 이를 위해 연구팀은 촉매 입자를 균일하게 분산시키는 동시에, 구동 중 입자 간 응집을 효과적으로 방지할 수 있는 새로운 방법을 도입했다.
연구팀은 촉매전구체를 선택적으로 담지할 수 있으면서도 탄화과정에서 얇은 흑연층을 형성할 수 있는 P4VP(Poly(4-vinylpyridine)) 고분자를 탄소전구체 고분자와 혼합방사하는 방법을 적용했다. 이를 통해 P4VP에 담지된 촉매 전구체가 탄화 과정에서 자연스럽게 형성된 얇은 흑연층에 의해 보호층을 형성, 장시간 사용에도 촉매 높은 촉매활성과 안정성을 유지할 수 있도록 설계했다. 이러한 전략을 통해 촉매 입자들이 응집하거나 표면 구조가 변하는 문제를 효과적으로 해결함으로써, 촉매의 내구성을 획기적으로 향상시켰다.
이번 연구에서 개발된 촉매 시스템은 아연-공기전지의 산소 발생 반응에서 기존 상용촉매(Ir/C)와 대비해 매우 뛰어난 안정성을 보였다. 100 사이클 이상의 장기 테스트를 진행한 결과, 장기간 안정적인 구동이 가능함을 확인했다. 특히, 본 연구에서 개발된 촉매는 고가 귀금속인 이리듐을 최소한으로 사용하여, 비용 절감 및 효율 증대가 동시에 꾀했다.
이번 연구에서 개발된 나노촉매-탄소나노섬유 복합 시스템은 이리듐 외에도 다양한 금속촉매를 균일하고 안정적으로 방법으로써, 아연-공기전지뿐만 아니라, 연료전지, 금속-공기전지, 그린수소촉매 등 다양한 전기화학적 에너지 저장 및 변환 장치에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
진형민 교수는 “높은 활성을 유지하면서도 내구성을 보장하는 촉매는 지속 가능한 에너지 기술 발전에서 매우 중요한 요소기술로써, 해당 연구는 아연-공기전지 상용화에 기여와 더불어 다양한 전기화학분야에 응용될 수 있는 원천기술이라고 생각한다”며 “향후 다양한 촉매 시스템에 대한 추가 연구를 통해, 지속 가능한 에너지 기술 발전에 기여할 계획”이라고 말했다.
