한양대 ERICA·생기원 연구팀, 아연공기전지 수명 극대화하는 고내구성 촉매 개발

한양대학교는 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 이선영 교수와 한국생산기술연구원(이하 생기원) 섬유솔루션부문 윤기로 박사 공동 연구팀이 다성분계 산화물 내에서의 용출 현상을 제어해 아연공기전지를 위한 고내구성 공기극 촉매 소재를 개발했다고 7일 밝혔다.

아연공기전지는 대기 중 산소(O₂)와 아연(Zn)의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산한다. 에너지 밀도가 ㎏당 1340Wh로 리튬이온전지보다 2배 이상 높다. 또한 저렴한 아연과 안전한 수계 전해질을 사용하기에 리튬이온전지의 잠재적 대안으로 주목받고 있다.

하지만 기존 아연공기전지는 높은 가격과 낮은 내구성으로 상용화에 어려움을 겪었다. 주로 백금(Pt)과 이리듐 산화물(IrO₂) 같은 귀금속 촉매와 탄소 기반 지지체를 사용하기 때문이다.

연구팀은 전기방사로 제조한 나노섬유 형태의 산화물 지지체에 미량의 백금과 코발트(Co) 촉매 성분을 이온 형태로 고용한 후, 열처리를 통해 나노입자 형태로 지지체 표면에 고르게 성장시키는 용출 현상을 이용해 고활성과 고내구성을 갖춘 복합 나노촉매를 개발했다.

연구에 따르면 다성분계 산화물 지지체가 열처리 과정에서 특정 온도에 이르면 백금 원소가 우선 용출되고, 온도가 더 오르면 형성된 백금 나노입자가 코발트의 용출을 유도해 백금-코발트(PtCo) 합금을 형성했다. 그러나 지나치게 높은 열처리 온도는 나노입자의 과성장을 초래해 촉매 성능을 저하할 수 있다.

이번 연구는 이론밀도함수 기반 계산을 통해 합금 나노입자의 용출 메커니즘을 검증했으며, 용출된 백금-코발트 합금 나노입자는 텅스텐 산화물 기반 지지체 표면에 단단히 고정돼 이차전지의 방전 반응인 산소 환원 반응에서 활성점 역할을 하는 것으로 확인됐다. 또한 산화물 지지체는 전기적 네트워크 형성뿐만 아니라 충전 반응인 산소 발생 반응을 효과적으로 개선해 아연공기전지가 200시간 이상, 성능 저하 없는 안정적인 특성을 보였다.

이번 연구 결과는 환경·에너지 분야 최상위 학술지 'Applied Catalysis B: Environment and Energy' 7월호에 온라인 게재됐다. 한양대 HYU-KITECH 공동학과의 이창호 석사과정생이 제1 저자로 참여했다. 한국과학기술연구원 황창규·안정원 박사과정생과 장지수·김종민 박사, 성신여자대학교 구본재 교수, 한밭대 신기현 교수 등은 공동 저자로 참여했다. 한양대 ERICA 이선영 교수와 생기원 윤기로 박사는 각각 교신저자로 연구를 이끌었다.

이선영 교수는 "전기방사를 통해 다성분계 산화물 지지체를 제조하고 용출 현상을 이용해 고내구성 합금 나노입자 촉매를 개발하는 데 성공했다"고 말했다. 윤기로 박사는 "이번 연구 결과는 차세대 이차전지뿐 아니라 저가형·고내구성 촉매를 요구하는 연료전지나 수전해 등 다양한 에너지 소재 분야로 응용할 수 있다"고 덧붙였다.

한편 한양대 ERICA-생기원 공동연구팀은 2021년 3월 신설된 일반대학원(HYU-KITECH 공동학과) 과정을 통해 맺어진 협력 파트너다. 학술 교류와 함께 지능로봇, 기계융합-3D프린팅, 첨단소재, 산업시스템 분야의 융합 교육과정을 구성해 실무 역량을 갖춘 전문 인력 양성에 힘쓰고 있다.