- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

세부내용 첨부 참조

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- 광경화 과정 없이 조직 재생을 유도하는 3D 바이오 프린팅 잉크 개발 - 인공장기 등 환자 맞춤형 재생 치료기술로 응용 기대 초고령화 사회로의 진입과 더불어 사고로 인한 부상, 만성질환의 증가 등으로 인공장기나 조직과 같은 생체재료 개발이 활발하다. 최근에는 세포와 생체재료를 사용해 3차원의 인공조직 구조를 구현하는 3D 바이오 프린팅 기술이 크게 주목받고 있다. 그런데, 바이오 잉크로 가장 많이 사용되는 하이드로겔의 경우 광경화 과정에서 사용되는 화학적 가교제와 자외선으로 인해 체내에서 세포 독성을 일으킬 수 있다는 문제가 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 생체 재료 연구단 송수창 박사 연구팀은 광경화 과정 없이 온도 조절 만으로 물리적인 구조를 안정적으로 유지하고, 조직 재생을 유도한 후 일정 시간이 지나면 체내에서 생 분해되는 폴리포스파젠 하이드로겔 기반의 온도 감응성 바이오 잉크를 최초로 개발했다고 밝혔다. 기존의 하이드로겔 기반 바이오 잉크는 출력 후 3차원 지지체의 물리적 강도를 강화하기 위해 사용되는 광경화 과정을 반드시 거쳐야 하고, 조직 재생 효과를 증대 시키기 위해 외부 배양 세포를 이식함으로써 인체 내 부작용의 위험성이 컸다. 이에 연구팀은 저온에서는 액상 형태로 존재하고 체온에서는 단단한 젤로 변화하는 특성을 지닌 온도 감응성 폴리포스파젠 하이드로겔을 이용해 새로운 바이오 잉크 소재를 개발했다. 이를 통해 화학적 가교제나 자외선 조사 과정 없이 온도 조절 만으로 조직 재생이 가능하며 물리적으로 안정적 구조를 가진 3차원 지지체를 제작해 인체의 면역 부작용 발생 가능성을 최소화할 수 있게 되었다. 개발된 바이오 잉크는 또한 조직 재생에 도움을 주는 단백질인 성장 인자와 상호작용 할 수 있는 분자 구조로 되어 있어 세포의 성장 및 분화, 면역 반응 등을 조절하는 성장 인자를 장기간 보존할 수 있다. 연구팀은 바이오 잉크를 통해 출력된 3차원 지지체 내에 세포의 분화를 자율적으로 조절할 수 있는 환경을 유도함으로써 조직 재생 효과를 극대화할 수 있었다. 연구팀은 세포 유입과 뼈 재생에 필요한 전환 성장 인자 베타 1((Transforming growth factor beta 1, TGF-β1)과 골 형성 단백질(Bone morphogenetic protein-2, BMP-2)을 포함한 바이오 잉크를 3D 바이오 프린터로 출력해 3차원 지지체를 제작한 뒤 쥐의 뼈 손상 부위에 이식하는 실험을 수행했다. 그 결과 주변 조직으로부터 세포가 지지체 안으로 유입되어 뼈가 정상 조직 수준으로 재생되었으며, 이식된 3차원 지지체는 체내에서 42일에 걸쳐 서서히 생 분해되는 것을 확인할 수 있었다. KIST 송수창 박사는 “연구팀은 지난 2022년 6월 온도 감응성 폴리포스파젠 하이드로겔을 ㈜넥스젤바이오텍에 기술 이전해 골이식재, 성형필러 등의 제품 개발을 진행하고 있다."며, "이번에 개발된 바이오 잉크는 그 자체의 물리적 특성을 달리해 뼈 조직 외에 다른 조직의 재생에도 적용하는 후속 연구를 진행 중이며, 최종적으로는 부위 별 조직 및 장기 맞춤형 바이오 잉크를 제품화할 수 있을 것으로 기대한다."라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원을 받아 KIST 주요 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지인 'Small'(IF : 15.153, JCR 분야 상위 7.101%) 최신 호에 표지 논문(Inside back cover)으로 게재되었다. [그림 1] 온도에 따른 성장인자를 포함한 바이오 잉크의 물리적인 강도 변화 및 3차원 지지체 프린팅 [사진 1] KIST 연구진이 개발한 온도감응형 하이드로겔 기반의 새로운 바이오잉크(가운데)와 이를 이용하여 3D바이오 프린팅 기술로 제작된 3차원 지지체(좌, 우) [그림 2] 바이오 잉크로 3D 프린트한 지지체를 뼈 손상 부위에 이식 후 생분해와 뼈 재생효과 확인 [사진 2] KIST 김준 위촉연구원(제1저자)가 3D 바이오 프린터로 출력한 조직재생용 3차원 지지체를 살펴보고 있다 [사진 3] 이번 기술을 개발한 KIST 연구진.((좌측, 제1저자) KIST 김준 위촉연구원, (우측, 교신저자)KIST 송수창 책임연구원) [그림 3] 표지논문(Inside back cover) 선정 이미지 ○ 논문명: Thermo-Responsive Nanocomposite Bioink with Growth-Factor Holding and its Application to Bone Regeneration ○ 게재일: 2022.12.26. ○ DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202203464 ○ 논문저자 - 김준 위촉연구원(제1저자/KIST 생체분자인식연구센터) - 정훈기 책임연구원(제1저자/KIST 생체분자인식연구센터)