충남대-이화여대-난징 정보과학기술대-국립대만대, ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’ 논문 게재
플라즈몬 기반 산소 흡착종 이동 촉진으로 고출력 아연-공기전지 구현
빛-전기화학 계면 제어 통해 산소환원·산소발생반응 한계 극복 전략 제시
빛-전기화학 계면 제어 통해 산소환원·산소발생반응 한계 극복 전략 제시
정민준 기자입력 : 2026. 05. 21(목) 15:34
공동 연구팀 사진 및 연구 피규어 ⓒ충남대
[사회/CTN]정민준 기자ㅣ충남대학교 화학과 김정원 교수가 이화여자대학교, 난징정보과학기술대학교(NUIST), 국립대만대학교와의 국제 공동연구를 통해 플라즈몬 현상을 활용한 차세대 아연-공기전지용 고성능 촉매 설계 전략을 제시했다.
이번 연구 성과는 에너지·환경 촉매 분야의 세계적 권위 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’(IF: 21.1, JCR 상위 0.6%) 온라인판에 5월 4일 게재됐다. 이번 논문에는 충남대 김정원 교수가 제1저자로 참여했으며, 이화여대 김동하 교수, 난징정보과학기술대 Yunfei Bu 교수, 국립대만대 Ru-shi Liu 교수 등이 공동 교신저자로 참여했다.
아연-공기전지는 공기 중 산소를 활용해 전기를 저장·생산할 수 있어 높은 에너지 밀도와 안전성, 친환경성을 갖춘 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 발생하는 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)의 느린 반응 속도와 낮은 안정성은 상용화를 제한하는 주요 과제로 꼽혀왔다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 빛에 반응하는 플라즈몬 촉매를 도입했다. 플라즈몬은 금속 나노입자가 특정 파장의 빛을 받을 때 자유전자가 집단적으로 진동하는 현상으로, 촉매 표면의 전기화학 반응 환경을 능동적으로 조절할 수 있는 특징을 가진다.
이번 연구에서는 은(Ag) 나노입자가 포함된 산화물 나노섬유 촉매를 설계해 빛 조사 조건에서 산소 반응 중간체의 이동과 반응 효율이 크게 향상됨을 확인했다. 특히 연구팀이 개발한 촉매는 빛 조사 시 산소환원반응 성능이 최대 2.6배, 산소발생반응 성능이 최대 4.6배 향상됐으며, 실제 아연-공기전지 적용 실험에서는 50 mA cm⁻²의 높은 전류밀도에서도 약 60%의 에너지 효율을 유지했다. 또한 150시간 이상 안정적으로 구동되는 우수한 내구성도 입증했다.
이번 연구는 빛을 단순한 외부 에너지원으로 활용하는 수준을 넘어, 촉매 표면의 반응 환경 자체를 정밀하게 제어해 전기화학 반응 효율을 향상시켰다는 점에서 의미가 크다. 이를 통해 기존 촉매 설계의 반응 속도 및 안정성 한계를 극복할 수 있는 새로운 방향을 제시한 것으로 평가된다.
김정원 교수는 “이번 연구는 빛을 활용해 촉매 표면의 산소 반응을 더욱 효율적으로 유도할 수 있음을 입증한 사례”라며, “향후 금속-공기전지뿐 아니라 연료전지, 수전해, 이산화탄소 전환 등 다양한 에너지 변환 기술 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐다.
이번 연구 성과는 에너지·환경 촉매 분야의 세계적 권위 학술지인 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’(IF: 21.1, JCR 상위 0.6%) 온라인판에 5월 4일 게재됐다. 이번 논문에는 충남대 김정원 교수가 제1저자로 참여했으며, 이화여대 김동하 교수, 난징정보과학기술대 Yunfei Bu 교수, 국립대만대 Ru-shi Liu 교수 등이 공동 교신저자로 참여했다.
아연-공기전지는 공기 중 산소를 활용해 전기를 저장·생산할 수 있어 높은 에너지 밀도와 안전성, 친환경성을 갖춘 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 발생하는 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)의 느린 반응 속도와 낮은 안정성은 상용화를 제한하는 주요 과제로 꼽혀왔다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 빛에 반응하는 플라즈몬 촉매를 도입했다. 플라즈몬은 금속 나노입자가 특정 파장의 빛을 받을 때 자유전자가 집단적으로 진동하는 현상으로, 촉매 표면의 전기화학 반응 환경을 능동적으로 조절할 수 있는 특징을 가진다.
이번 연구에서는 은(Ag) 나노입자가 포함된 산화물 나노섬유 촉매를 설계해 빛 조사 조건에서 산소 반응 중간체의 이동과 반응 효율이 크게 향상됨을 확인했다. 특히 연구팀이 개발한 촉매는 빛 조사 시 산소환원반응 성능이 최대 2.6배, 산소발생반응 성능이 최대 4.6배 향상됐으며, 실제 아연-공기전지 적용 실험에서는 50 mA cm⁻²의 높은 전류밀도에서도 약 60%의 에너지 효율을 유지했다. 또한 150시간 이상 안정적으로 구동되는 우수한 내구성도 입증했다.
이번 연구는 빛을 단순한 외부 에너지원으로 활용하는 수준을 넘어, 촉매 표면의 반응 환경 자체를 정밀하게 제어해 전기화학 반응 효율을 향상시켰다는 점에서 의미가 크다. 이를 통해 기존 촉매 설계의 반응 속도 및 안정성 한계를 극복할 수 있는 새로운 방향을 제시한 것으로 평가된다.
김정원 교수는 “이번 연구는 빛을 활용해 촉매 표면의 산소 반응을 더욱 효율적으로 유도할 수 있음을 입증한 사례”라며, “향후 금속-공기전지뿐 아니라 연료전지, 수전해, 이산화탄소 전환 등 다양한 에너지 변환 기술 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐다.
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정민준 기자 jil3679@hanmail.net
정민준 기자 입니다. |
