왼쪽부터 김동균 화공생명공학과 통합과정생, 정성현 화공생명공학과 통합과정생, 김정훈 화공생명공학과 교수, 송명준 신소재공학과 학생, 박성민 신소재공학과 교수, 한국전자기술연구원 박고등 통합과정학연생


연세대학교 화공생명공학과 김정훈 교수팀(제1 저자 김동균 박사과정)과 신소재공학과 박성민 교수팀이 공동으로 아연-공기전지의 공기극 반응을 고효율로 구동할 수 있는 고밀도 이중 철(Fe) 활성점 기반 산소 환원 촉매를 개발했다. 이번 연구 결과는 촉매 분야 세계 최고 권위 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environment and E 모바일바다이야기하는법 nergy(IF 21.1, JCR 상위 0.6%)’에 게재됐다.
아연-공기전지는 높은 에너지 밀도와 경제성을 갖춘 차세대 에너지저장장치로 주목받았으나 공기극에서 일어나는 산소 환원반응이 느려 실제 성능을 높이는 데 한계가 있다. 특히 기존의 철 단일 원자 촉매는 금속 원자가 쉽게 뭉치거나 활성 구조가 제한돼 높은 활성과 안정성을 동시에 알라딘릴게임 확보하기 어려웠다.
연구팀은 전략적으로 MOF의 유기리간드와 같은 화학구조를 갖는 단량체를 물에서 라디칼중합을 이용해 친환경적으로 고분자를 합성하고, 금속유기골격체(이하 MOF) 표면에 코팅했다. MOF 표면의 금속이온과 고분자가 배위결합을 할 수 있도록 하는 계면 제어 전략을 사용해, 질소가 많은 고분자층을 MOF 입자의 분산상태에서 골드몽릴게임 균일하고 선택적으로 표면에 코팅했다. 코팅된 소재를 탄화 후 탄소 지지체 내에 서로 인접한 이중 철 활성점을 안정적으로 형성했다.
이 방법은 열처리 과정에서도 철 종의 응집을 효과적으로 억제해, 높은 철 함량을 유지하며 원자 수준으로 분산된 활성 구조를 구현할 수 있게 했다. 그 결과, 기존 단일 활성점 기반 촉매의 한계를 넘어서는 고밀 바다이야기예시야마토게임 도·고분산 이중 활성점 구조를 확보했다. 이는 산소환원반응의 활성과 안정성을 동시에 높이는 핵심 요인이다.
개발된 촉매는 반파 전위 0.91V를 기록해 상용 Pt/C 촉매(0.86V)보다 우수한 산소환원 성능을 보였으며, 이상적인 4전자 환원 경로를 구현했다. 이를 실제 아연-공기전지에 적용한 결과 1.46V의 개방전압, 182mW/cm 오리지널골드몽 2의 최대 출력밀도를 기록했으며, 300시간 이상 안정적인 충·방전 성능을 유지했다. 즉 높은 활성과 내구성을 동시에 입증한 것이다. 특히 본 공정은 그램 스케일 합성에서도 성능이 유지돼 확장성 측면에서도 유의미하다.
한편 연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 성능 향상 원인을 규명했다. 인접한 두 개의 철 활성점은 기존 단일원자 촉매와 달리 산소 분자를 보다 효율적으로 활성화할 수 있으며, 특히 수산화 이온이 사전 흡착된 이중 철 구조에서는 0.24eV의 낮은 과전압으로 반응이 진행될 수 있음을 확인했다. 이는 단일 FeN4구조보다 유리한 반응 경로를 제공하며, 이중 활성점의 협동 작용이 산소환원반응 성능 향상의 핵심임을 보여준다.
이번 연구는 연세대 화공생명공학과 김정훈 교수와 신소재공학과 박성민 교수가 교신저자로 참여했으며, 김동균, 정성현, 박고등, 송명준 연구자가 공동 제1 저자로 참여했다. 김정훈 교수팀은 촉매의 합성 및 전기화학적 성능 평가를 주도했고, 박성민 교수팀은 X선 흡수 분광 분석을 통해 전자 구조와 배위 환경을 규명했으며, 한국전자기술연구원(KETI) 연구팀은 이론 계산을 수행했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업, 한국산업기술진흥원 산업혁신인재성장지원사업, 한국연구재단 LAMP 사업의 지원을 받아 수행됐다.
김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr