국민대학교 나노전자물리학과 김철성 교수(前 한국자기학회 회장)와 임정태(일반대학원 물리학과 박사과정 13) 학생이 UNIST (울산과학기술원)의 주상훈 교수(에너지 및 화학공학부)팀과 공동연구를 진행하여 “A General Approach to Preferential Formation of Active Fe−Nx Sites in Fe−N/C Electrocatalysts for Efficient Oxygen Reduction Reaction”라는 주제를 통해 JACS (Journal of the American Chemical Society)에 논문을 11월 2일자 온라인판에 게재하였다. JACS는 미국화학회에서 발행하는 최고 권위의 저널이며, Impact Factor 13.038로 JCR기준 163개의 Chemistry & Multidisciplinary 분야 저널 중 IF 상위 10번째에 해당되는 SCI 학술지이다.

현재 수소 연료전지는 백금 촉매의 값이 비싸기 때문에 실용화 및 대중화에 어려움이 있으며, 이를 대체하기 위한 후보 물질 중 탄소 촉매가 많은 연구가 되고 있다. 하지만 탄소 촉매는 고온 열처리에 의한 촉매 활성점이 파괴되는 문제점이 있으며, 이를 해결하기 위해 실리카 보호층을 이용한 철과 질소를 포함한 탄소 촉매를 이용하여 촉매 활성점을 효과적으로 유지시키는 방법이 고안되었다. 촉매 활성점의 유지 여부는 실리카 보호층에 따른 철화합물의 구성비에 의해 결정되며, 이를 분석 할 수 있는 방법은 뫼스바우어 분광기술에 의해서만 가능하다. 뫼스바우어 분광기술은 감마선 동위원소를 이용하여 핵공명 현상을 관측하는 연구 기법으로 인류가 실험할 수 있는 가장 정밀한 실험장비로써 10-12 eV에 해당하는 분해능을 가지며  NT(나노기술)뿐만 아니라 여러 학문 분야에서 꼭 필요한 연구 기법이다.

이에 김철성 교수와 임정태 박사과정 학생은 국내외에서 독보적인 뫼스바우어 분광 측정 기술과 실험실 내에서 설계 및 제작한 우수한 분광 시스템을 통해 상온에서 실리카 보호층에 따른 2가지의 시료내의 철화합물의 구성비에 대해 연구를 진행하였다. 실리카 보호층이 없는 촉매에 경우, Fe-N4, α-Fe와 Fe3C의 철화합물의 비율이 49.29, 24.60, 14.01%에 비해 실리카 보호층이 있는 촉매는 76.25, 13.57, 10.18%으로 나타나, 약 26%의 Fe와 Fe3C 화합물들의 생성이 억제되었다. 따라서, 실리카 보호층이 촉매 활성에 방해가 되는 Fe와 Fe3C 화합물들의 생성이 억제 하였다고 볼 수 있으며, 이러한 결과를 통해, 촉매 활성점의 효과적인 유지여부 확인에 결정적인 역할을 하였다.