UNIST(총장 정무영)는 김건태 에너지·화학공학부 교수 연구팀이 금속-공기전지의 성능을 높일 새로운 '복합촉매(NP Co₃O₄/Fe@C₂N)'를 개발했다고 29일 밝혔다.

연구팀은 서로 다른 특성을 가진 두 금속(코발트, 철)을 안정적으로 묶어 시너지 효과를 얻었는데, 이 현상의 원리까지 분석해 다양한 분야로 활용 가능성도 제시했다.

금속-공기전지는 크게 금속으로 만들어진 '연료극'과 산소를 활용하는 '공기극'으로 이뤄진다. 전기를 사용하는 방전 시에는 금속에서 산화된 전자가 공기극으로 이동하며 전기를 발생시키고, 반대로 충전 시에는 공기극에서 금속으로 전자를 이동시키며 전기를 저장한다.

이를 상용화하는데 충·방전 시 공기극에서 반응이 원활하게 진행되도록 돕는 촉매가 중요하다. 백금이나 산화이리듐의 귀금속 계열의 촉매가 성능이 뛰어나지만 가격이 비싸고 내구성이 낮아 대규모로 응용하기 어려웠다. 

이에 연구팀은 '코발트 산화물(Co₃O₄)'과 '철'을 포함한 2차원 유기고분자(Fe@C₂N)로 복합촉매를 만들었다.

이 촉매는 백종범 UNIST 교수 연구팀이 개발한 것으로 방전 반응에서 효율이 우수하지만 충전 반응에서 효율이 낮았다. 여기에 코발트 산화물 금속을 더해 충·방전에서 모두 뛰어난 효율을 나타내도록 설계됐다. 

연구진은 수열합성(Hydrothermal synthesis)으로 유기고분자(C₂N)가 이루는 그물망 위에 코발트 산화물(Co₃O₄)이 올라간 형태의 복합촉매를 만들었다.

그 결과 질소(N) 원소와 코발트 산화물 사이에 결합이 형성돼 촉매의 안정성이 높아졌다. 또 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER) 양쪽에서 효율이 높아졌다.

제1저자인 김정원 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 "코발트 산화물과 유기고분자 C₂N에서 시너지 효과가 나타나 산소발생반응에서도 우수한 효율을 나타냈다"며 "앞으로 더 효율적인 금속 산화물-유기고분자 촉매를 설계할 수 있을 것"이라고 말했다. 

김건태 교수는 "금속-공기전지의 공기극로 값싼 재료로 만든 고효율 촉매를 적용하게 되면 상용화가 보다 빨라질 것"이라며 "차세대 공기극 신소재 개발과 안정성 문제를 동시에 해결할 단서도 제공했다"고 말했다. 

이번 연구에는 백종범 UNIST 에너지·화학공학부 교수도 참여했다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 'ACS Nano'지에 지난 28일자로 출판됐다.