초록 ▼

□ 연구개요
본 연구에서는 새로운 구조의 전이금속 틈새합금 (transition metal-based interstitial alloy, MIA) 나노입자 합성법을 개발하는 연구를 수행하였다. 구체적으로, 선정된 귀금속(Ru, Rh, Ir) 및 3d 전이금속(Fe, Co, Ni)들의 격자틈새에 H 또는 C를 투입하여 표면 격자거리를 제어하고 이에 따른 고체 표면에서 새롭게 정의되는 전자구조와 국소구조를 분석하였다. 또한, 금속 나노입자의 표면 격자거리의 제어로 인한 물리·화학적 표면 환경변화가 수전해 반응 및 전기화학적 촉매

□ 연구개요
본 연구에서는 새로운 구조의 전이금속 틈새합금 (transition metal-based interstitial alloy, MIA) 나노입자 합성법을 개발하는 연구를 수행하였다. 구체적으로, 선정된 귀금속(Ru, Rh, Ir) 및 3d 전이금속(Fe, Co, Ni)들의 격자틈새에 H 또는 C를 투입하여 표면 격자거리를 제어하고 이에 따른 고체 표면에서 새롭게 정의되는 전자구조와 국소구조를 분석하였다. 또한, 금속 나노입자의 표면 격자거리의 제어로 인한 물리·화학적 표면 환경변화가 수전해 반응 및 전기화학적 촉매 반응성에 미치는 영향 및 반응 메커니즘 규명 연구를 수행하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1. Ru, Rh, Pd, Ni, Co 기반 MIA 나노입자 합성법 개발
solvothermal, solid-liquid reaction, exothermal phase-transition 합성 방법을 이용하여 다양한 귀금속 및 3d 전이금속 기반 MIA 나노입자 합성법을 성공적으로 개발하였다. TEM 및 XRD 분석을 통해 균일한 크기의 MIA 나노입자가 성공적으로 합성되었음을 확인하였다. 추후 XAFS, PES, SQUID 분석 등을 통해 전자구조 및 표면 국소구조의 변화를 규명하고자 한다.
2. MIA 나노입자의 전기화학적 특성 분석 연구
개발된 Rh-C 및 Ni-C MIA 나노입자 모델을 통해 표면 격자거리의 변화가 염기 HER의 반응성에 미치는 영향을 확인하였다. 또한, Ru-C 나노입자 모델을 통해 표면 Ru-C가 염기 HER 반응 중 환원되어 carbon (or graphene) 층을 형성하여 장기 HER 내구성을 향상시킨다는 것을 확인하였다. 또한, MIA의 결정성이 조절된 새로운 모델인 비정질 Pd-H MIA 나노입자를 통해 금속의 결정성이 전기화학적 촉매 반응성 및 메커니즘에 미치는 영향을 규명하는 도전적인 연구를 수행중이다.
3. MIA 나노입자를 활용한 수전해 시스템 개발 연구
Ru-C MIA 나노입자를 음이온 교환막 수전해 시스템의 환원전극에 활용하여 실제 수소 생산 시스템을 구축하였다. Ru-C MIA는 최첨단 상용 촉매인 Pt/C 촉매와 유사한 셀 성능을 보여주었으며 더 우수한 안정성을 나타내어, 백금 대비 약 45% 수준의 가격으로 더 우수한 수소 생산 성능을 나타내었다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구에서는 금속 MIA 모델을 귀금속 및 3d 전이금속으로 확장하는 합성법을 개발, 이에 따라 촉매로서의 응용뿐만 아니라 고체무기 및 금속재료 분야에서의 선도적 원천기술을 획득할 수 있을 것으로 기대된다.
격자 이완된 금속표면 모델 촉매는 반응물질과 새로운 촉매 반응 메커니즘을 나타낼 것으로 기대되며 기존 촉매의 한계를 뛰어넘는 촉매 활성 확보 및 내구성 향상 연구결과를 획득할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 상용 전기화학적 수소 생산 시스템에 적용하는 연구를 통해 기초소재로서의 폭넓은 응용 가능성을 확인하였으며 수소 생산 기술에 대한 선도적 원천기술 획득 및 초격차 확보가 가능할 것이다.
이에 따라, 신소재 기초연구에 이바지할 뿐만 아니라 시스템 단위의 연구를 통한 산업적 가치 확보도 가능할 것으로 기대된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 14
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 14
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 3) 목표 달성 수준 ... 14
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 15
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
• 6. 자체점검표 ... 17
• 7. 참고문헌 ... 17
• 끝페이지 ... 43