[사회/CTN]정민준 기자ㅣ충남대학교 유기재료공학과 진형민 교수팀, 전나리 교수팀과 경희대 신혜영 교수팀이 공동으로 블록공중합체 나노패터닝을 이용한 금속/금속산화물 이종구조 나노입자 어레이 제작 기술을 개발했다.

이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 국제학술지인 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A, IF: 9.2)’에 7월 16일, 표지논문(Back Cover)으로 게재됐다. 이번 연구에는 충남대 임지수, 함지웅, 고명범 연구원이 공동 제1저자로, 충남대 진형민 교수와 전나리 교수, 경희대 신혜영 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

금속/금속산화물 이종구조 나노입자는 금속과 금속산화물이 만나는 계면에서 전하 전달, 반응 중간체 조절, 결함 기반 반응 등이 복합적으로 일어날 수 있어 촉매, 센서, 그리고 에너지 변환 소자 등 다양한 분야에서 주목받고 있다.

하지만 기존 공정으로는 금속과 금속산화물을 하나의 나노입자 내에 균일하게 도입하면서도 입자의 크기, 간격, 배열 구조를 동시에 정밀하게 제어하는 데 한계가 있었다. 특히 촉매 성능은 조성뿐만 아니라 나노입자의 기하학적 구조에도 영향을 받기 때문에, 계면 효과를 명확히 규명하기 위해서는 동일한 구조 조건에서 조성이나 계면 구조만 변화시킬 수 있어야 한다. 그러나 이를 가능하게 하는 범용적 나노입자 제작 기술은 아직 제한적이었다.

이에 연구팀은 균일한 입자 크기와 주기적 배열을 제공하는 나노템플릿 전략으로 블록공중합체 나노패터닝을 도입했다. 블록공중합체는 서로 다른 고분자 블록의 자발적 미세상분리를 통해 나노미터 수준의 주기적 패턴을 형성할 수 있어, 차세대 나노패터닝 소재로 주목받고 있다.

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연구 피규어 ⓒ충남대

연구팀은 먼저 PS-b-P4VP 블록공중합체 박막에서 P4VP 나노도메인이 수직으로 정렬되도록 유도하고, 이를 금속 및 금속산화물 전구체를 선택적으로 수용하는 나노반응기로 활용했다. 이후 액상 침투법(LPI)으로 백금(Pt) 전구체를 도입한 뒤, 기상 순차 침투 합성법(SIS)을 통해 산화아연(ZnO) 전구체를 추가로 침투시키는 하이브리드 침투 전략을 적용했다. 그 결과, 블록공중합체의 주기적 나노패턴을 유지하면서 백금과 산화아연이 동일한 나노입자 내 함께 형성된 Pt-ZnO 이종구조 나노입자 어레이를 구현했다.

제작된 Pt-ZnO 나노입자 어레이를 수소발생반응(HER) 촉매로 적용해 전기화학적 성능을 평가한 결과, 동일한 배열 구조를 갖는 단일 금속 나노입자 촉매보다 우수한 활성을 보였다. 또한 DFT 계산을 통해 Pt-ZnO 계면이 수소 흡착 자유에너지를 효과적으로 조절하며, 이러한 계면 효과가 촉매 활성 향상에 기여할 수 있음을 확인했다.

진형민 교수는 “이번 연구는 블록공중합체 나노패턴을 단순한 구조 형성용 템플릿이 아니라 금속과 금속산화물 계면을 정밀하게 설계할 수 있는 나노반응기 플랫폼으로 활용했다는 데 의미가 있다”며 “입자 크기와 간격을 일정하게 유지한 상태에서 조성과 계면 구조의 영향을 체계적으로 비교할 수 있어 향후 고성능 전기촉매와 차세대 에너지 소재 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

정민준 기자 jil3679@hanmail.net 정민준 기자 입니다.

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