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백금촉매 성능 향상시킨 DNA-그래핀 하이브리드 물질 개발

상업용 촉매보다 3배 이상 성능이 우수하고 가격도 저렴

백금촉매 성능 향상시킨 DNA-그래핀 하이브리드 물질 개발 - 다아라매거진 기술이슈
백금나노입자-DNA-산화그래핀 복합물질 합성 모식도




국가과학자 김광수 포항공과대학교 교수팀이 연료전지의 핵심인 백금촉매의 성능을 3배 이상 향상시킬 수 있는 DNA-그래핀하이브리드 물질을 개발했다.

고가의 백금을 보다 적은 양을 사용하고도 성능을 향상시킴으로써 연료전지 등 백금촉매 성능 개선에 크게 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(국가과학자)의 지원으로 수행됐고 연구결과는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 온라인판 7월 31일자에 게재됐다.

지금까지의 많은 연구자들이 미세한 백금입자로 표면적을 증가시켜 백금촉매의 활성도를 높이려 했으나, 극미세 나노입자를 균일하게 분산시키는 방법과 입자간의 뭉침 현상을 막지 못해 연구에 많은 어려움을 겪었다.

연구팀은 DNA와 그래핀으로 된 하이브리드 물질 위에 1 나노미터 크기의 미세한 백금 입자를 균일하게 분산시킨 복합체 물질을 합성하는데 성공했다.

극소 크기의 백금 나노입자를 표면적이 넓은 DNA-그래핀 하이브리드 물질에 균일하게 분산시킴으로써 촉매반응이 일어날 수 있는 표면적을 넓혀 촉매성능을 3배 이상 향상시켰다.

구형의 활성탄소 위에 2~4 나노미터 크기의 백금 입자를 분산시키는 기존 방법에 비해 입자의 크기를 절반 이하로 줄인 것이다.

일반적으로 입자들이 작을수록 표면적이 커지면서 불안정성이 높아지게 되고 이로 인해 서로 뭉치려는 경향이 강해지게 되는데, 이를 극복하기 위해 연구팀은 백금이온이 DNA 사슬의 인산뼈대 염기들과 강하게 결합하는 성질을 이용했다.

표면적이 넓은 그래핀 산화물에 DNA 사슬을 결합시켜 DNA가 서로 엉키는 것을 막아 하이브리드 물질을 만들고, 여기에 백금염화물과 환원제를 차례로 첨가해 미세한 백금나노입자들이 하이브리드 물질 위에 골고루 분산돼 달라붙게 했다.

개발된 미세 백금 나노입자는 입자간 결합력이 강하기 때문에 산이나 염기에도 강하다는 설명이다.

실제 안정성을 테스트하기 위해 10,000회 촉매 산화환원반응을 수행한 결과 초기 활성의 95%를 유지했다. 상업용 백금나노입자는 50%에 지나지 않는다.

김 교수는 “상업용 백금촉매보다 3배 이상 활성이 증가됐고, 산이나 염기에 강해 연료전지 등에 이용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
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