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고온에서도 서로 뭉쳐지지 않는 
금속 나노 촉매 입자의 자발 생성 원리 규명 
금속 나노 입자의 크기, 밀도, 분포를 산화물 기판 위에서 제어할 수 있는 원리를 
  실시간 투과전자현미경 기법을 이용하여 규명… 연료전지 등 재생에너지와 가스
센서 등 기능성 촉매 소자의 내구성과 활성 증대 기대
GIST 김봉중 교수 공동연구팀, 연구결과 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지 
Journal of the American Chemical Society에 논문 게재  
□ GIST(지스트, 총장 김기선) 신소재공학부 김봉중 교수(교신저자)와 카이스
트 신소재공학부 정우철 교수(공동교신저자) 공동연구팀이 산화물 기판에서 
고온 환원 분위기를 형성시켰을 때 용리*되는 금속 촉매 입자의 생성 원리
를 투과전자현미경** 내에서 실시간 관찰을 통해 세계 최초로 규명하였다.
   *용리(ex-solution): 고온 환원 분위기(섭씨 700-800도 이상, 수소분위기)를 주었을 때, 특정 산화물 
기판 또는 지지체(주로 페로브스카이트 구조의 산화물질, 예: ABO3)에서 특정 금속성분이 분리되어 
기판 표면으로 나오는 현상. 주로 B 원자 사이트에 치환된 귀금속 또는 고활성 금속이 기판 표면
으로 나와 입자형태를 이룸
 **투과전자현미경(transmission electron microscope): 고전압의 전자 빔(beam)을 쏘아 얇은 물질을 
투과하게 함으로써 수십만 배 이상 확대해 관찰할 수 있는 현미경
 ∘ 또한 원자 해상도에서 입자성장을 관찰하여, 촉매의 특성을 결정짓는 입자의 
크기, 밀도, 분포 등을 온도와 결정립*의 크기 및 분포를 조절하여 제어하는
데 성공하였다. 
  *결정립(grain): 결정질 재료에서 원자배열이 같은 영역   
□ 산화물 지지체를 이용한 금속 촉매 입자의 용출 현상은 촉매 입자가 지지체 
GIST(광주과학기술원) 보도자료
http://www.gist.ac.kr 
보도 일시
2019. 4. 24.(수) 조간(온라인 4. 23.(화) 12:00 이후 보도) 
보도자료
담당
대외협력팀 김미연 팀장
062-715-2020 / 010-5302-3620
대외협력팀 이나영 행정원
062-715-2024 / 010-2008-2809
자료 문의
신소재공학부 김봉중 교수
062-715-2341
[Comment:1] User
 4/18/2019 00:13
두 문장으로 나누었음.
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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 알아내었고코볼트 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
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고, 결정립을 용출 현상의 새로운 시스템으로 활용한 최초의 결과로써, 향후 
전기자동차, 가스센서, 가스개질 등의 분야에 획기적인 개선을 가져올 수 있
을 것으로 기대한다”고 말했다.   
□ GIST 신소재공학부 김봉중 교수(교신저자)와 카이스트 정우철 교수(공동 교신
저자)가 주도하고 GIST 신소재공학부 조용륜 연구원과 MIT 구본재 연구원이 
참여한 이번 연구는, 삼성미래기술육성과제의 지원을 받아 수행되었으며, 이
번 연구성과는 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지 Journal of the 
American Chemical Society에 2019년 4월 2일자 온라인으로 게재되었다. <끝>  
 
논문의 주요 내용
1. 논문명, 저자정보 
 - 저널명 : Journal of the American Chemical Society 
            (2018 JCR Impact Factor: 14.357)
 - 논문명 : Growth kinetics of individual Co particles ex-solved on 
SrTi0.75Co0.25O3-d polycrystalline perovskite thin films
 - 저자 정보 : 조용륜(GIST 박사과정, 제1저자), 구본재(MIT 박사후과정, 제1저자), 
서민지(GIST 박사과정, 공동저자), 김준규(KAIST 박사과정, 공동저자), 
이시원(KAIST 박사과정, 공동저자), 김경학(POSTECH 박사과정, 
공동저자), 한정우(POSTECH, 공동저자), 정우철 교수(KAIST, 
공동교신저자), 김봉중 교수(GIST, 교신저자) 
[Comment:2] User
 4/18/2019 00:24
빈자리 채워 넣었습니다.
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그 림 설 명
[그림1] 코볼트 입자 용출현상의 실시간 관찰 분석 및 CO 환원 반응 결과.
(1) 섭씨 800도에서 일어나는 SrTi0.75Co0.25O3-δ 다결정 기판에서의 Co 용출 반응 
실시간 이미지들
(2) Co 입자크기의 시간에 따른 변화
(3) 온도에 따른 CO 환원 반응에 대한 turnover frequency 변화