한국에너지공과대학교(켄텍)와 포항공과대학교(포스텍) 공동 연구진이 차세대 연료전지와 수전해 장치 핵심 소재로 주목받는 ‘용출(exsolution) 금속 나노입자’의 성능 저하 원인을 원자 수준에서 규명하는 데 성공해 눈길을 끈다.

켄텍은 오상호 교수 연구팀과 포스텍 한현 교수 연구팀이 실시간 투과전자현미경 분석을 통해 용출 금속 나노입자의 생성 초기부터 장시간 고온 환원 환경에서 성능이 저하되는 과정까지 직접 관찰했다고 6일 밝혔다.

‘용출’은 산화물 내부 금속이 고온 환원 조건에서 표면으로 이동해 스스로 나노입자를 형성하는 현상이다. 이렇게 형성된 입자는 기존 증착 방식보다 산화물 지지체에 더 강하게 고정돼 안정성이 높아 차세대 연료전지 전극과 촉매 소재로 주목받고 있다.

다만 실제 운전 환경에서는 시간이 지나면서 입자와 주변 산화물 구조가 함께 변형되며 성능 저하가 발생하는 문제가 있었지만, 그동안 정확한 원인은 규명되지 않았다.

연구진은 결정 구조가 정렬된 에피택셜 산화물 박막을 활용해 용출 과정을 추적한 결과, 초기 단계에서는 니켈(Ni) 나노입자가 표면으로 형성되면서 결정 구조의 결함인 ‘역상경계(APB)’가 함께 사라지는 현상을 확인했다. 이는 용출 과정이 단순 금속 이동이 아니라 결정 구조 재배열과 결함 치유가 동시에 일어나는 복합 반응임을 보여주는 결과다.

반면 장시간 고온 환원 조건에서는 니켈과 스트론튬(Sr)이 점차 소실되며 표면 함몰 현상이 발생했고, 이후 2차상이 형성되는 과정도 관찰됐다. 연구진은 이를 조성 불균형 구조가 균형 구조로 변화한 뒤 다시 분해 단계로 전환되는 과정으로 분석했다.

이번 연구는 용출 나노입자의 성능 저하가 단순 입자 성장이나 응집 문제가 아니라 결정 결함 변화와 원소 손실, 표면 구조 변화, 2차상 형성이 연속적으로 이어지는 복합 과정이라는 점을 규명했다는 데 의미가 있다.

연구진은 이번 성과가 향후 연료전지와 수전해 장치용 촉매의 초기 활성뿐 아니라 장기 안정성까지 동시에 확보할 수 있는 차세대 재료 설계 전략으로 이어질 것으로 기대하고 있다.

오상호 교수는 “이번 연구는 용출 촉매에서 나타나는 성능 저하의 근본 원인을 원자 수준에서 직접 확인했다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다. 한현 교수는 “용출 촉매의 안정성과 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 재료 설계 전략으로 이어지길 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 세계적 나노과학 학술지인 ACS Nano에 게재됐다.