은 나노촉매, 작동 방식에 따라 반응 위치 달라… 고효율 에너지 기술 설계 원리 제시

노형석 기자

작성일 2026-08-06 08:22

서울대학교 공과대학 정우철 교수 연구팀이 한국기초과학지원연구원(KBSI) 및 KAIST와 공동으로 은(Ag) 나노촉매가 고체산화물 전지에서 작동할 때, 전기를 생산하는 과정과 수소를 생산하는 과정에서 서로 다른 위치에서 반응한다는 사실을 세계 최초로 규명했다. 이 연구는 차세대 에너지 장치인 고체산화물 전지의 성능 향상을 위한 새로운 설계 원리를 제시하며, 향후 고효율 수소 생산 및 친환경 발전 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 재료·화학 분야의 세계적 권위지인 'Energy & Environmental Science'에 게재되었으며, 특히 우수성을 인정받아 해당 호의 'Outside Back Cover' 논문으로 선정되었다.

고체산화물 전지는 산소 이온의 이동을 통해 전기를 생산하거나 물을 분해해 수소를 만드는 기술로, 분산형 발전 시스템 및 재생에너지 기반 수소 생산 등 친환경 에너지 분야의 핵심 기술로 주목받고 있다. 하지만 전극 내부의 복잡한 구조로 인해 나노촉매가 정확히 어느 위치에서 어떤 방식으로 반응을 돕는지 규명하는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 구조와 조성이 일정한 모델 전극을 제작하고, 크기와 간격이 균일한 은 나노입자를 규칙적으로 배열하여 촉매의 역할을 정밀 분석했다. 그 결과, 전기를 생산하는 산소환원반응에서는 은 나노입자와 전극이 맞닿는 경계면이 주요 반응 장소로 작용하는 반면, 수소를 생산하는 산소발생반응에서는 은 나노입자의 표면 자체가 중요한 반응 장소로 작용함을 확인했다.

또한, 연구팀은 전압과 산소 농도를 조절하며 두 반응의 진행 과정을 비교 분석했으며, 방사광 분석과 이론 계산을 통해 은 나노촉매가 전극 표면의 전자 상태를 변화시키거나 산소 원자들이 결합하기 좋은 반응 환경을 제공함으로써 촉매 작용을 한다는 사실을 규명했다.

이번 연구는 나노촉매가 단순히 반응 속도를 높이는 것을 넘어, 작동 조건에 따라 반응 위치와 메커니즘이 달라질 수 있음을 보여주었다는 점에서 학술적 의미가 크다. 특히, 고체산화물 연료전지와 수전해전지의 공기극을 설계할 때 촉매 표면과 촉매-전극 계면을 각각 최적화해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시했다.

연구를 지도한 정우철 교수는 “이번 연구는 나노촉매의 성능뿐 아니라 실제 반응이 일어나는 위치와 작동 원리를 정량적으로 규명했다는 점에서 의미가 크다”며, “앞으로 다양한 에너지 변환 소재와 촉매 시스템에 적용할 수 있는 새로운 설계 원리로 확정해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

한편, 연구팀이 개발한 정밀 나노입자 배열 모델 전극은 촉매의 작동 원리를 분석할 수 있는 연구 플랫폼으로서, 고체산화물 전지뿐만 아니라 다양한 전기화학 에너지 변환 장치 및 산소 분리 기술 등 산소 반응을 활용하는 여러 분야의 작동 원리를 밝히는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.