표면에 박혀있게 되어 고온에서도 조대화*가 일어나지 않아, 고온 촉매 반응
(예: 가스센서 등)과 재생 에너지(예: 가스개질, 연료전지 등) 응용에 있어서
매우 중요하게 여겨져 왔다. 그러나 기존의 연구는 용출된 후의 샘플 분석에
의존하였기 때문에 입자의 크기, 밀도, 분포를 제어 할 수 있는 원리를 이해할
수 없었다. 이로 인해 촉매의 활성과 내구성을 극대화 하는 것이 불가능하였다.
*조대화(Coarsening): 화학적 잠재 에너지가 크고 입자 크기가 작은 나노 촉매 입자에서 화학적 잠재
에너지가 작고 입자 크기가 큰 나노 촉매 입자로 원자가 이동하면서 촉매 입자의 크기와 밀도가 순
간적으로 변하는 현상
□ 본 연구에서는 원자해상도와 빠른 이미징 획득이(예: 1초에 30 프레임) 가
능한 실시간 투과전자현미경 기법을 통해 SrTi0.75Co0.25O3-δ 다결정 기판에서
코볼트(Co) 금속 원소의 용출현상의 운동학을 이해하여 성장 메카니즘을 규
명하고 이를 모델링했다.
∘ 이를 통해, 먼저 입자의 크기는 오직 온도에 의해 조절이 가능하다는 것을
밝혔다. 또한 용출된 금속 입자들을 모두 결정립계*에서만 생성시켜 용출온
도를 섭씨 500도까지 낮추었고, 결정립의 크기와 분포를 조절하여 입자의
밀도와 분포를 최적화시킬 수 있었다. 나아가 열역학적 모델을 만들어 입자
성장의 반응제어단계**를 알아내었고, 코볼트 공공(Vacancy, 원자가 빠진
결정격자의 위치)생성과 용출 엔탈피***, 그리고 입자 성장을 위한 활성화
에너지****를 정량화하였다.
*결정립계(Grain boundary): 다른 결정립이 만나서 형성되는 영역으로 원자 결합에 불일치가 생겨
높은 자유에너지를 갖음
**반응제어단계(Rate limiting step): 반응속도를 결정짓는 단계로 높은 에너지 장벽으로 인해 가장 반
응 속도가 느림
***엔탈피(Enthalpy): 열역학적 계에서 뽑을 수 있는 에너지로, 내부 에너지와 계가 부피를 차지함으로
부터 얻을 수 있는 에너지의 합으로 정의됨
****활성화 에너지(Activation energy): 특정 화학 반응이 진행되기 위해 필요한 최소한의 에너지
∘ 추가적으로 일산화탄소(CO) 환원반응 실험을 통해 산화물 기판에 형성된
촉매의 반응사이트가 금속과 산화물 기판의 경계임을 알아내고, 이를 제일
원리계산을 통해 검증하였다.
□ 김봉중 교수는 “이번 연구성과는 금속촉매의 용출 현상을 정량적으로 규명하