- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 백금 촉매보다 저렴하면서 고성능, 고내구성 가져 상용화 기대 - 차세대 알칼리 연료전지에 활용 및 비백금계 촉매 연구에 기여 알칼리 연료전지(AFC)는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하며, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 알칼리 연료전지의 에너지 발생을 위해서 일반적으로 효율이 높은 백금 촉매를 사용하는데, 가격이 비싸고 알칼리 연료전지에 적용했을 때 안정성에 한계가 있어 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)가 차세대 촉매로 주목받고 있다. 그러나 기존 단일 원자 촉매 합성법은 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하되는 단점을 가지고 있어 상용화에 어려움이 있었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 기능성복합소재연구센터 김남동 박사, 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 전기 용접에 주로 사용하는 아크방전을 활용, 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발하였다고 밝혔다. 개발된 촉매는 백금 촉매 대비 2배 이상 향상된 산소 환원 반응 성능 및 10배 이상의 내구성을 가지며, 실제 연료전지에 적용하였을 때 기존 코발트 기반 촉매들의 활성을 크게 앞지르는 성능으로 구동할 수 있다. 연구진은 아크방전의 높은 에너지 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해되었다가 재결합되는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞은 후 아크방전 과정을 거치면, 금속이 원자 수준으로 분해되었다가 고결정성 나노탄소의 격자 내에 채워지는 형태로 결합함으로써 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있었다. 또한 연구진은 이러한 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망간, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용 가능함을 밝혔다. KIST 김남동 박사는 “차세대 알칼리 연료전지용 촉매의 성능 및 내구성을 향상시키면서 고가의 백금 촉매 대신 저가형 촉매 활용이 가능해졌다는 점이 핵심”이라고 연구의 의의를 밝혔다. 또한, “향후 차세대 알칼리 연료전지의 설계 및 제조 공정뿐만 아니라 다양한 전기화학 변환 시스템에 적용될 가능성이 커 탄소중립·수소경제 구축에 크게 기여할 것”으로 기대했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 개방형 연구사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업 및 지역혁신선도연구센터 사업으로 수행되었으며, 재료 분야 국제 학술지인 ‘Small Methods’ (IF: 14.188, JCR 분야 상위 7.057%) 최신호에 속표지(Inside Back Cover) 논문으로 게재되었다. * (논문명) Flash Bottom-Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for Fabricating Single-Atom Electrocatalysts - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정재영 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김남동 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 본 연구에서 개발한 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 모식도 [그림 2] 인공번개를 활용한 단일 원자 촉매 합성 반응을 나타내는 모식도. 질소 및 염소 원자는 금속 원자를 탄소 격자에 보다 안정적으로 도입하는 역할을 함. [그림 3] 본 연구에서 개발된 합성 방법을 통해 다양한 금속(a. 망간, b. 철, c. 니켈, d. 백금)의 단일 원자 촉매 합성이 가능함을 보여줌. TEM(Transmission Electron Microscopy, 투과전자현미경) 이미지의 초록색 동그라미는 금속 입자가 원자 수준으로 분포함을 보여줌. EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 분석 결과 그래프는 금속-금속 결합이 존재하지 않음을 보여줌. [그림 4] 실제 연료전지 싱글 셀(single cell) 반응에서 기존의 전이 금속 기반 촉매들과 비교하였을 때 월등히 우수한 성능을 보여줌.

- 기존 상용 칩 1/8크기의 초소형 칩으로 신경전달물질 분석 - 약물주입, 뇌척수액 추출, 뇌신호 측정을 동시에...치료제 개발에 기여할 것으로 기대 뇌에 존재하는 여러 종류의 신경전달물질은 신경세포들간의 신호전달 과정에서 핵심적인 역할을 한다. 신경전달물질의 농도가 정상보다 높거나 낮으면 다양한 뇌질환을 유발하며, 이를 치료하기 위해 신경전달물질을 투여하기도 한다. 따라서 뇌질환의 원인규명이나 치료과정에서는 신경전달물질 농도의 정확한 측정이 중요하다. 그동안 뇌 속 신경전달물질의 농도를 측정하기 위해서는 0.5mm 크기의 뇌척수액 추출용 유체관을 삽입해야 했다. 이는 뇌 조직의 손상을 유발할 수 있을 뿐만 아니라, 유체관이 뇌의 여러 부위에 걸쳐 있게 되어 특정 뇌 부위에서의 신경전달물질 분석이 어려웠다. 또한 뇌가 정상적으로 활동하는지 판단하는 주요한 지표인 뇌 신호를 측정할 수 없어서 신경전달물질과 뇌활동과의 상관관계 분석이 어려웠다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 뇌과학연구소 조일주 단장 연구팀은 이러한 한계점을 극복하기위해 뇌척수액 추출용 유체 채널, 약물 주입용 유체 채널, 뇌 신호 측정용 전극이 집적된 초소형 다기능 브레인 칩을 개발했다고 밝혔다. 연구진은 앞서 2019년 세계 최초로 약물주입, 신호측정이 동시에 가능한 브레인칩을 개발해 국제학술지에 게재한 바 있다. 연구진은 뇌의 활동을 분석하는데에는 뇌에서 나오는 전기적 신호뿐만 아니라 뇌척수액의 분석이 중요한 도구인 점에 착안해 브레인 칩에 뇌척수액 추출용 유체관을 추가로 집적했다. 개발한 칩은 기존의 상용 뇌척수액 추출 기기보다 1/8배 작은 크기로 삽입과정에서 뇌조직의 손상을 최소화하고, 신경전달물질과 뇌 신호를 동시에 관찰해 뇌 활동 정밀 분석을 가능하게 했다. 또한 작은 유체관을 통해 낮은 압력으로 뇌척수액을 추출하기 때문에 장기간 사용시에 채널이 막히는 현상을 최소화 할 수 있었다. 연구팀은 개발된 다기능 브레인 칩을 살아 있는 생쥐 뇌에 삽입하여 뇌척수액을 추출함과 동시에 뇌 신호를 측정했다. 또한 신경 활동을 조절하는 약물을 생쥐에게 투약한 후 시간별로 신경전달물질과 뇌 신호 변화를 측정해, 뇌질환 치료약물의 효과를 다각도로 검증하는 실험을 수행했다. 그 결과 개발된 브레인칩이 뇌질환 치료제의 검증을 위한 새로운 도구로 사용할 수 있음을 확인했다. KIST 조일주 단장은 “새로운 신경전달물질 측정용 브레인 칩은 크기가 작으면서도 다양한 기능을 한번에 구현할 수 있어 뇌손상을 최소화하고 뇌질환 원인 및 치료제 등을 연구하는데 유용한 도구가 될 것이다. 우리가 개발한 시스템이 다양한 뇌 질환 모델 동물에 적용되어 효과적인 뇌 질환 치료제를 개발하는 데에 기여 할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 한국연구재단의 뇌과학원천기술개발사업과 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 ‘Biosensors and Bioelectronics’ (IF: 10.258, JCR 분야 상위 0.580%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Bimodal neural probe for highly co-localized chemical and electrical monitoring of neural activities in vivo - (제1 저자) 한국과학기술연구원 채의규 학생연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 조일주 책임연구원 그림 설명 [그림 1] 개발된 브레인 칩의 전자현미경 사진 [그림 2] 유체 및 전기인터페이스가 패키징된 브레인 칩 [그림 3] 생쥐 뇌에서 신경 활동을 자극하는 약물 주입으로 인한 뇌 신호 및 신경전달물질들의 변화를 관찰