초록 ▼

□ 연구개요
본 “전기화학적 에너지 전환용 단원자 촉매의 원자 수준 특성제어” 연구는 비귀금속계 단원자 촉매에 관한 심화 연구로, 단원자 촉매의 다양한 전기화학적 에너지 전환 반응으로의 확장을 위한 원자 수준 특성제어기술 개발을 최종목표로 함. 전기화학 반응에 활용되는 탄소 기반 단원자 촉매의 핵심 활성점 구조가 유기금속복합 촉매 (organometallic homogeneous catalysts)의 형태와 유사하다는 점에 착안하여, 균일 유기금속복합 촉매 제어에 사용된 다양한 원자 수준 특성제어기술을 탄소 기반 불균일 촉매에

□ 연구개요
본 “전기화학적 에너지 전환용 단원자 촉매의 원자 수준 특성제어” 연구는 비귀금속계 단원자 촉매에 관한 심화 연구로, 단원자 촉매의 다양한 전기화학적 에너지 전환 반응으로의 확장을 위한 원자 수준 특성제어기술 개발을 최종목표로 함. 전기화학 반응에 활용되는 탄소 기반 단원자 촉매의 핵심 활성점 구조가 유기금속복합 촉매 (organometallic homogeneous catalysts)의 형태와 유사하다는 점에 착안하여, 균일 유기금속복합 촉매 제어에 사용된 다양한 원자 수준 특성제어기술을 탄소 기반 불균일 촉매에서 구현하기 위해 기반 기술을 확보하고 이를 바탕으로 다양한 전기화학적 에너지 전환반응으로의 확장 가능성을 평가하고자 함.

□ 연구 목표대비 연구결과
- 거시적 수준에서 촉매 특성제어: 전이금속의 종류를 바꾸어 Me-N-C (Me = Fe, Co, Ni, etc.) 단원자 촉매를 성공적으로 합성하였으며, 이들이 완전히 다른 물리화학적 및 전기화학적 특성을 보인다는 것을 확인함.
- TOF 측정 신방법론 개발: 단원자 촉매가 cyanide 염과 강하게 상호작용함을 활용하여, cyanide 염의 흡착량 및 활성 변화 정도를 정량화하여 전환빈도(Turnover frequency, TOF)를 계산함.
- 불균일 촉매에서의 리간드 및 주변 탄소 지지체 개질 기술 개발: 단원자 Ni-N-C에 이종 원소인 황(S) 및 산소(O)를 탄소 지지체 위에 도입하여, 영전하 전위 값의 변화 및 이에 따른 전기화학적 성능 변화를 확인하였음.
- 원자 수준에서의 촉매 활성 제어기술 확립: 대칭 구조를 가지는 Ni-N₄-TPP와 대칭성이 뒤틀린 Ni-N₃O-TPP를 통해 활성점의 전자밀도를 제어하였고, 이를 통해 전자밀도 및 전자구조가 단원자 촉매의 활성에 미치는 영향을 밝혀냄.
- 단원자 촉매에서의 반응 작동기작 및 특성 결정인자 도출: Fe-N-C 촉매의 일산화질소 환원반응이 반응 중 전압 및 전해질의 pH에 영향을 받음을 밝혀냄. 또한, 밀도범함수 이론을 통해 표면전하가 반응 특성 결정인자임을 도출함.
- 단위 셀 수준에서의 성능평가: Fe-N-C 촉매를 양극으로 사용한 H₂-NO 연료전지를 구축하였고, 이를 통해 수소 운반체로서 잠재력이 있는 하이드록실아민을 생산함. Fe-N-C 촉매가 하이드록실아민 생산에 대해 매우 높은 선택도와 빠른 생산속도, 높은 반응 안정성을 가짐을 확인하였음.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
[활용 계획] 최근 각광받고 있는 단원자 전기화학 촉매의 단순 합성에만 집중하였던 기존 접근방법을 뛰어넘어, 본 연구는 촉매의 물리화학적 특성을 정밀하게 제어하기 위한 한 단계 더 발전된 연구 방향을 지향함.
[기대효과:과학기술적 측면] 기존 유기금속복합 균일촉매 제어를 위해 활용되었던 다양한 원자 수준 특성제어기술의 불균일 단원자 전기화학 촉매에서의 구현은 단원자 촉매연구의 체계화 및 고차원화를 달성할 수 있는 핵심원천기술임. 특히, scaling relationship에 따라 정해지는 촉매의 활성에 있어서, 보다 독립적으로 반응물의 흡착 세기를 조절하며 이를 통한 촉매 활성의 제어가 가능함.
[기대효과:경제·산업적 측면] 전기화학적 에너지 저장/전환 기술의 경쟁력은 촉매 소재에 기반하고 있으나, 국내 전기화학 촉매산업은 선도경쟁력 확보에 어려움을 겪고 있음. 본 연구의 결과는 혁신적인 신촉매물질을 개발하고 이의 상용화를 위한 밑거름으로써 국내 전기화학 촉매 소재 산업의 경쟁력 향상이 가능할 것으로 예상함.
[기대효과:사회적 측면] 전기화학적 에너지 저장/전환 기술은 기후변화 대응기술의 일환으로써, 지구온난화대응 및 미세먼지 저감 등 국제적 사회문제를 해결하기 위한 핵심전략임. 또한, 환경/에너지/화학/재료 관련 다수의 경험이 축적된 전문 연구 인력 양성 및 배출이 가능함.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 1) 주요 연구 변경사항 ... 6
• 2) 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 13
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 13
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 13
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 14
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 14
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 15
• 6. 자체점검표 ... 16
• 7. 참고문헌 ... 16
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• 붙임2 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 23
• 끝페이지 ... 33