결정 속 '결함의 움직임'이 촉매 금속을 표면으로 실어 나른다

-루테늄 촉매의 표면 형성 비밀 규명

- 미래 수소 에너지 효율 극대화 길 열려

결정 속 ‘나노 배달부’가 만드는 고성능 암모니아 촉매. (자료제공: 한국연구재단)

결정 속 전위와 루테늄 나노입자의 형성 관찰. (자료제공: 한국연구재단)

미래 청정에너지인 수소와 암모니아를 더욱 경제적이고 안정적으로 생산·활용할 수 있는 고성능 귀금속 촉매 제조의 새로운 길이 열렸다. 값비싼 루테늄 촉매 입자가 표면에 형성되는 비밀이 결정 내부 결함의 역동적인 움직임과 연관되어 있음을 국내 연구진이 밝혀냈다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 김현정 서강대학교 교수 연구팀이 KIST(한국과학기술연구원) 지호일·권덕황 박사 연구팀과 공동으로, 결정 내부에서 생겨나 표면으로 자라는 결함인 ‘전위(dislocation)’가 루테늄 금속 원자를 직접 실어 표면까지 운반한다는 사실을 규명했다고 7월 2일 밝혔다.

인공지능(AI) 시대의 도래로 전력 수요가 폭증하면서 친환경 수소·암모니아 생산 및 활용 기술이 안정적 에너지 공급의 해법으로 떠오르고 있다. 연료전지나 수소 생산 등 친환경 기술에는 백금·루테늄 같은 귀금속 촉매가 필수적이지만, 가격이 매우 비싸고 내구성이 떨어진다는 한계가 있었다. 

이를 해결하기 위해 금속 원자를 산화물 결정 속에 미리 심어두었다가 표면으로 스스로 나오게 해 단단히 박히도록 만드는 ‘엑솔루션(Exsolution)' 기술이 대안으로 주목받았다. 특히, 루테늄은 암모니아 에너지 시스템의 핵심 촉매다. 하지만 금속 원자가 결정 깊은 곳을 어떻게 통과해 표면까지 이동하는가의 근본적인 메커니즘은 그동안 베일에 싸여 있었다.

연구팀은 루테늄을 첨가한 페로브스카이트 산화물 입자를 모델로 ‘결맞은 X선 회절 영상 기법(BCDI)’과 ‘투과전자현미경(TEM)을 결합하여 이 과정을 관찰했다. 관찰 결과, 금속이 표면으로 나오기 전 내부에서 ‘전위’라는 선형 결함이 생겨 표면 쪽으로 자라났고, 특히 ‘혼합형 전위’의 끝단에서 표면 입자의 약 75%가 집중 형성되었다. 

가장 결정적인 발견은 이 혼합형 전위가 멈춰 있는 결함이 아니라, 표면을 향해 성장하면서 루테늄 원자를 함께 실어 나르는 ‘운반체’ 역할을 한다는 사실이다. 연구진은 촉매 입자가 표면에 우연히 생기는 것이 아니라 재료 내부의 결함과 밀접하게 연결되어 만들어짐을 규명한 것이다.

기존에는 금속 원자가 결정 전체를 가로질러 이동해야 해 고온·장시간이 필요했으나, 이번 연구는 전위가 성장하며 주변부의 원자 이동을 대신함으로써, 마치 원자들에게는 ‘지름길’효과를 제공할 수 있음을 규명했다. 

김현정 교수는 “어떤 결함을 만드느냐에 따라 촉매 입자의 크기와 분포를 정밀 설계할 수 있음을 확인했다”며 “이번 성과는 암모니아 기반 수소 에너지 밸류체인과 고내구성 촉매 개발에 기여할 것”이라고 밝혔다. 

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구 지원사업으로 수행됐으며, 국제저명학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 5월 25일 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]