연세대학교 신소재공학과 손알로이시우스(Soon Aloysius) 교수 연구팀은 제일원리 양자역학 시뮬레이션을 통해 산소 발생 반응(OER)에 뛰어난 성능을 보이는 다양한 이리듐 산화물 다형체의 구조-특성 관계를 규명했다.
산소 발생 반응은 물 분자를 산소로 분해하는 촉매 반응으로, 청정에너지로 각광받고 있는 수소를 얻을 때 필요한 중요한 화학 반응이다. 하지만 느린 반응 속도로 인해 효과적인 촉매 없이는 반응을 일으키기 어렵다고 알려져 있다.
손 교수 연구팀은 비정질 이리듐 산화물 내의 복잡한 연결성이 이리듐 원자의 산화수 가변성에 영향을 끼친다는 것을 밝혀내고, 이로 인해 발생된 친전자성 산소가 뛰어난 촉매 효율을 보이는 이유에 관한 새로운 물리화학적 통찰을 제공했다.
손 교수는 “매우 높은 촉매 효율을 보이는 나노 다공성 구조들을 포함한 비정질 이리듐 산화물 다형체들에 대한 기초적인 연구 및 이해가 최근까지도 부족한 상황이었고, 이는 더 높은 효율을 가지는 차세대 청정에너지 촉매 설계에 큰 어려움을 주고 있었다”고 설명했다.
첨단 신소재 개발 연구에서 복잡한 구조-특성 관계를 확실하게 파악하는 것이 고효율, 고기능성 소재 탐색 및 설계에 있어 매우 중요함에도 불구하고, 청정에너지 기술에의 활용 가능성이 높은 비정질 산화물에 대해 원자 수준의 직관적인 이해를 제공할 수 있는 연구는 한정된 자원 및 인력 등 현실적인 문제로 인해 부족한 실정이었다.
그중 특히 반응성, 선택성, 안정성 등 다양한 측면에서 장기적인 촉매 효율이 매우 높을 것으로 예측된 이리듐 및 루테늄 산화물(및 산화 수산화물)은 최근 몇 년간 세계 각국 연구 그룹들의 지대한 관심을 받았으나 기존에 알려진 거시적인 광물 구조에서는 그 효과 발현이 쉽지 않아 실질적인 활용 가능성을 타진하기 어려웠다.
손 교수는 “본 연구와 같이 원자 단위 수준에서 화학량론과 다형체를 제어하는 연구 방법론은 이러한 산화물 촉매들의 구조-특성 관계를 조정하고 활용 가능성을 극대화할 수 있는 가장 유망한 방법 중 하나”임을 강조했다.
본 연구는 실험적으로 제시된 준안정상 다공성 및 비정질 이리듐 산화물에 대한 양자역학 시뮬레이션을 통해 소재의 구조-특성 관계에 대한 새로운 물리적 통찰을 제공하고, 산소 발생 반응 효율 발현 원리를 과학적으로 규명해 청정에너지 기술에 활용 가능성이 높은 고효율 촉매의 신속 설계 분야에 새로운 지평을 열 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구 결과는 세계적인 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 8일 게재됐다.
* 논문 제목: Activated chemical bonds in nanoporous and amorphous iridium oxides favor low overpotential for oxygen evolution reaction
* 논문 주소: https://www.nature.com/articles/s41467-022-30838-y
