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화학과 이효영 교수, 산소 환원 반응 및 금속-공기 배터리를 위한 주족 그룹 단일 원자 촉매 개발 2024.06.07
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화학과 이효영 교수, 산소 환원 반응 및 금속-공기 배터리를 위한 주족 그룹 단일 원자 촉매 개발

- 전기 촉매를 위한 새로운 단일 원자 촉매 개발


▲ 화학과 이효영 교수(왼쪽)과 Xiaodong Shao 박사후연구원(오른쪽)


화학과 이효영 교수 연구팀은 효율적인 산소 환원 반응 및 금속-공기 배터리를 위한 새로운 단일원자 촉매 개발했다고 밝혔다.


산소 환원 반응(ORR)은 금속-공기 배터리 및 연료 배터리 에너지 변환 장치를 위한 중요한 음극 공정이다. 단일 원자 촉매는 산소 환원 반응을 위한 가장 유망한 물질 중 하나로 여겨져 왔다. 지금까지 산소 환원 반응 공정용 대부분의 단일 원자 촉매는 전이금속 원소를 기반으로 한다. 전이 금속 촉매가 만족스러운 산소 환원 반응 활성을 제공하지만, 지구상의 전이 금속 원소의 양은 제한적이므로 전이 금속 기반 촉매를 대체할 촉매(주족 원소 기반 물질 등)를 찾는 것은 촉매 산업의 지속 가능한 발전에 의미가 있다.


그러나 주족 원소는 산소 환원 반응 중간체에 대한 결합력이 너무 강하거나 약하기 때문에 일반적으로 산소 환원 과정을 촉진하기에 적합하지 않다고 여겨진다. 따라서 효율적이고 안정한 산소 환원 반응 및 금속-공기 배터리를 개발을 위한 새로운 주족 원소 기반 단일 원자 촉매를 설계하는 것은 의미 있고 도전적인 연구이다.


이효영 교수 연구팀은 먼저 효율적이고 안정한 산소 환원 반응 촉매로 5배위 및 비대칭의 첫 번째 쉘 리간드를 가진 주족 원소인 주석(Sn) 기반 단일 원자 촉매를 보고하였다. Sn 단일 부위는 첫 번째 쉘에 4개의 평면 내 질소 원자와 1개의 축 방향 산소 원자로 배위된다. Sn 중심에 축 방향 산소 원자를 도입하면 높은 Sn 원자가 상태, 최적화된 전하 분포 및 산소 환원 반응 중간체에 대한 적절한 결합 강도가 생성되어 산소 환원 반응 활성이 향상되었다.

▲ 산소 기능화된 탄소나노튜브 및 주석 프탈로시아닌을 원료로 하는 Sn계 단일 원자 촉매 제조 모식도


예상대로 제조된 Sn 기반 단일 원자 촉매는 높은 반파 전위와 기록적인 질량 활성으로 우수한 산소 환원 반응 활성을 나타내며, 이는 상용화된 Pt/C, 보고된 모든 Sn 기반 촉매 및 보고된 전이 금속 단일 원자 촉매의 성능을 훨씬 능가한다. 더 중요한 것은 축 방향 산소 원자의 존재가 Sn 중심과 탄소 나노 튜브 사이의 상호 작용을 증가시켜 우수한 장기 안정성을 제공한다는 것이다. Sn 기반 단일 원자 촉매의 우수한 산소 환원 반응 활성과 내구성은 액체 상태 및 고체 상태 아연-공기 배터리 측정을 통해서도 입증되어 실제 응용 분야에서 큰 잠재력을 보여준다.

▲ 액상 및 고체 상태 아연 공기 배터리용 Sn계 단일 원자 촉매 적용


이 연구는 5월 21일 세계적 권위의 국제 학술지 ACS Nano(IF: 17.1)에 게재되었다. 연구는 한국연구재단과 기초과학연구원의 지원을 받아 수행되었다.

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