나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.