물리학과 김현정 교수 공동 연구팀, 결정 내부 결함(전위)이 루테늄 촉매를 표면까지 운반하는 새 경로 규명

모교 물리학과 김현정 교수 연구팀(최성욱 박사, 현 삼성전자)이 값비싼 루테늄 촉매 입자가 산화물 표면에 형성되는 비밀을 규명했다. 결정 내부에서 생겨나 표면으로 자라는 결함인 '전위(dislocation)'가 루테늄 금속 원자를 직접 실어 표면까지 운반한다는 사실을 밝혀낸 것이다.

인공지능(AI) 시대가 열리며 전력 수요가 폭증하는 가운데, 친환경 수소·암모니아 생산 및 활용 기술이 안정적 에너지 공급의 해법으로 떠오르고 있다. 연료전지나 수소 생산 같은 친환경 기술에는 백금·루테늄 같은 귀금속 촉매가 필수적이지만, 가격이 매우 비싸고 내구성이 떨어진다는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 금속 원자를 산화물 결정 속에 미리 심어두었다가 표면으로 스스로 나오게 해 단단히 박히도록 만드는 '엑솔루션(exsolution)' 기술이 대안으로 주목받았다. 특히 루테늄은 암모니아 에너지 시스템의 핵심 촉매다. 하지만 금속 원자가 결정 깊은 곳을 어떻게 통과해 표면까지 이동하는지, 그 근본 메커니즘은 그동안 베일에 싸여 있었다.

연구팀은 루테늄을 첨가한 페로브스카이트 산화물 입자를 모델로 삼아, '결맞은 X선 회절 영상 기법(BCDI)'과 '투과전자현미경(TEM)'을 결합해 이 과정을 관찰했다. BCDI는 위상이 일치하는 X선으로 나노 결정 내부의 미세한 뒤틀림을 3차원 이미지로 시각화하는 기술이고, TEM은 물질의 조성과 결함 구조를 원자 단위로 들여다보는 기술이다. 관찰 결과, 금속이 표면으로 나오기 전에 결정 내부에서 '전위'라는 선형 결함이 먼저 생겨나 표면 쪽으로 자라났으며, 특히 '혼합형 전위'의 끝단에서 표면 입자의 약 75%가 집중 형성됐다. 가장 결정적인 발견은 이 혼합형 전위가 멈춰 있는 결함이 아니라, 표면을 향해 성장하면서 루테늄 원자를 함께 실어 나르는 '운반체' 역할을 한다는 사실이다. 촉매 입자가 표면에 우연히 생기는 것이 아니라, 재료 내부의 결함과 밀접하게 연결되어 만들어짐을 규명한 것이다. 

기존에는 금속 원자가 결정 전체를 가로질러 이동해야 해 고온에서 오랜 시간이 필요했으나, 이번 연구는 전위가 성장하며 원자 이동을 대신함으로써 원자들에게 일종의 '지름길'을 제공한다는 점을 규명했다. 김현정 교수는 "어떤 결함을 만드느냐에 따라 촉매 입자의 크기와 분포를 정밀하게 설계할 수 있음을 확인했다"라며 "이번 성과는 암모니아 기반 수소 에너지 밸류체인과 고내구성 촉매 개발에 기여할 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 모교 김현정 교수 연구팀이 KIST(한국과학기술연구원) 지호일·권덕황 박사 연구팀과 공동으로 수행했다. 본교 최성욱 박사와 KIST 임영환 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구 지원사업의 지원으로 이뤄졌으며, 연구 성과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.

▶논문명: Dynamics of dislocation formations and their impacts on exsolution in Ru-doped perovskite oxide (DOI: 10.1038/s41467-026-73457-7)