금속-공기전지는 전기용량도 크고, 오염물질 배출이 전혀 없어 다수의 글로벌 기업들이 연구개발에 뛰어든 분야다. 김건태 교수팀이 발견한 복합촉매는 전기차용 전원으로 활용할 수 있는 이차전지 개발에 기여할 것으로 예상된다.

연구팀은 '페로브스카이트 산화물'(SSC)과 '3차원 질소 도입 그래핀'(3DNG)으로 복합촉매를 만들었다. 기존 금속-공기전지에는 백금이나 산화이리듐 등이 촉매로 사용됐다. 하지만 높은 비용과 낮은 내구성의 문제를 지녔다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 페로브스카이트 물질이나 탄소재료를 이용한 연구가 활발하다.

연구팀은 밀도함수이론을 활용해 복합촉매의 우수성을 분석했다. 촉매는 화학반응에 참여해 반응속도를 변화시키고 원래 상태로 존재하는 물질이다. 이번 복합촉매 개발은 산소환원반응과 산소발생반응의 활성을 좋아지게 만들어 향후 금속-공기전지의 상용화를 앞당길 수 있게 됐다. 

금속공기전지 중 전기차용 이차전지로는 리튬-공기 또는 아연-공기 전지가 유망한 후보군으로 꼽힌다. 이번에 개발된 복합촉매는 향후 고용량 배터리로 손꼽히는 리튬-공기전지 등의 연구에 활용될 것으로 보인다.

김건태 교수는 "복합촉매에서 나타나는 시너지 효과는 촉매끼리 전자 이동을 촉진한 결과"라며 "이번 분석을 참고하면 앞으로 더 효율적인 페로브스카이트-탄소재료 복합촉매를 설계할 수 있을 것"이라고 전했다. 

이어 그는 "차세대 고용량 배터리로 손꼽히는 리튬-공기전지의 공기극에 값싼 재료로 고성능 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것"이라며 "새로운 복합촉매는 성능은 물론 안정성까지 확보해 금속공기전지 산업에 기여할 것"이라고 기대했다.

이번 연구 결과는 마이크로나노재료 분야의 세계적 권위지인 '스몰'에 지난 28일 표지로 선정돼 출판됐다.