울산과학기술원, 韓 연구진, 층상 티타네이트 금속 삽입 합성법 개발

울산과학기술원(UNIST)은 층상 티타네이트에 42종의 금속을 자유롭게 삽입할 수 있는 새로운 합성 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 이번 기술은 맞춤형 촉매와 이차전지 소재 설계에 활용될 것으로 기대된다.

조승호 UNIST 신소재공학과 교수 연구팀은 안광진 에너지화학공학과 교수, 정후영 반도체소재·부품대학원 교수, 한정우 서울대학교 교수팀과 공동으로 이번 연구를 진행했다.

층상 티타네이트는 티타늄 산화물이 얇은 층으로 쌓인 구조로, 층 사이에 금속 양이온을 넣을 수 있어 배터리 전극과 촉매 지지체로 주목받는 소재다. 그러나 기존 방식은 고온 열처리와 강산 세척이 필요했고, 넣을 수 있는 금속 종류도 한정적이었다.

연구팀이 개발한 방법은 수산화암모늄 용액을 활용한 상향식 합성법이다. 용액 속 티타늄 산화물 원료가 화학 반응으로 층상 구조를 만들고, 수소 이온이 들어간 형태로 조립된다. 이를 원하는 금속 양이온 용액에 담그면 수소 이온이 금속 양이온으로 쉽게 교체된다.

이 합성법은 알칼리 금속부터 희토류까지 5개 그룹 42가지 금속 원소를 삽입할 수 있으며 30종 이상을 동시에 넣을 수도 있다.

연구팀은 로듐 촉매 지지체를 만들어 상용화 가능성을 확인했다. 플라스틱과 세제 등의 기초 원료를 합성하는 프로필렌 하이드로폼일화 반응에서 칼륨 금속을 넣은 층상 티타네이트를 사용했을 때, 상용 로듐 촉매보다 반응 효율(TOF)이 3배 이상 높았다.

공동 연구팀은 "42종 금속 원소를 자유롭게 활용할 수 있는 방대한 라이브러리를 구축한 기반 기술"이라며 "촉매 공정의 생산성 향상과 비용 절감은 물론, 이차전지나 커패시터 같은 차세대 에너지 저장 소재의 성능 개선에도 즉시 응용이 가능할 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 김효석 UNIST 신소재공학과 연구원, 오대원 에너지화학공학과 연구원, 김미연 서울대학교 재료공학부 연구원이 제1저자로 참여했으며 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 지난달 26일 온라인 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, UNIST 이노코어(InnoCORE) 프로그램, 산업통상자원부 한국산업기술기획평가원, 울산RISE센터, 한국기초과학지원연구원의 지원을 받았다.