【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=강한 산성 환경에서도 저가형 스테인리스강이 스스로 보호막을 형성해 부식을 막는 혁신 기술이 개발됐다. 연료전지용 촉매를 활용해 크롬과 니켈 함량이 낮은 스테인리스강에서도 고급 소재 수준의 내식성을 확보할 수 있는 길이 열린 것이다.
 ▲ Fe-N-C 촉매 코팅을 통한 산화 피막 형성 촉진 메커니즘 © 포스텍 |
POSTECH(포항공과대학교)는 신소재공학과 김용태 교수, 곽재익 박사, 정상문 연구교수 연구팀이 철·질소·탄소로 구성된 촉매(Fe–N–C)를 활용해 저가형 스테인리스강 표면에 자발적인 보호막 형성을 유도하는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 최근 코팅·필름 분야 국제 학술지인 ‘어플라이드 서피스 사이언스 어드밴시스(Applied Surface Science Advances)’에 게재됐다.
스테인리스강은 표면에 형성되는 ‘부동태 피막’이라 불리는 얇은 산화막 덕분에 녹이 잘 슬지 않는다. 그러나 이 보호막의 안정성은 크롬과 니켈 같은 고가 원소에 크게 의존해, 이들 성분이 적은 저가형 스테인리스강은 강한 산성 환경에서 쉽게 부식되는 한계가 있었다.
연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 비귀금속 기반 연료전지 촉매인 Fe–N–C 촉매에 주목했다. 기존에는 산소 반응을 촉진하는 전극 소재로 활용되던 이 촉매를 금속 표면에 적용해, 부식 반응 자체를 제어하는 새로운 촉매 시스템으로 설계했다. 강산 환경에서 금속 표면의 산화·환원 반응 경로를 촉매가 조절해, 크롬과 니켈이 용출되기 전에 안정적인 산화막을 먼저 형성하도록 유도한 것이다.
이른바 ‘표면 반응 공학(surface reaction engineering)’ 접근법을 통해 연구팀은 별도의 두꺼운 코팅 없이도 저가형 스테인리스강이 스스로 얇고 치밀한 보호막을 형성하도록 만들었다.
실험 결과, 부식으로 발생하는 전류는 99.94% 감소했으며, 금속 용출량은 99.98%까지 줄어드는 효과를 보였다. 형성된 보호막은 0.5M 황산에 7일 이상 노출된 이후에도 안정성을 유지해, 저가형 소재가 사실상 고급 스테인리스강 수준의 내식성을 확보한 것으로 평가된다.
김용태 교수는 “부식을 막기 위해 두꺼운 코팅이나 고가 원소를 추가해야 한다는 기존 통념을 뒤집은 연구”라며 “저렴한 금속에서도 안정적인 보호막을 스스로 형성할 수 있음을 보여준 의미 있는 성과로, 스테인리스강뿐 아니라 다양한 금속 소재로의 확장이 기대된다”고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐다.
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POSTECH Research Team Develops New Technology to Inhibit Corrosion in Low-Cost Stainless Steel, Delivering 99.98% Corrosion Protection in Strong Acids
An innovative technology has been developed that allows low-cost stainless steel to form a protective film to prevent corrosion even in highly acidic environments. This opens the door to achieving corrosion resistance comparable to high-end materials even in stainless steel with low chromium and nickel content using a fuel cell catalyst.
Pohang University of Science and Technology (POSTECH) announced that a research team led by Professor Yongtae Kim, Dr. Jaeik Kwak, and Research Professor Sangmoon Jeong of the Department of Materials Science and Engineering has successfully induced the spontaneous formation of a protective film on the surface of low-cost stainless steel using a catalyst composed of iron, nitrogen, and carbon (Fe–N–C). This research result was recently published in the international journal Applied Surface Science Advances, a journal in the field of coatings and films.
Stainless steel is resistant to rust thanks to a thin oxide layer, called a "passive film," that forms on its surface. However, the stability of this protective film relies heavily on expensive elements like chromium and nickel. Low-cost stainless steels, which contain low levels of these elements, are susceptible to corrosion in highly acidic environments.
To address this issue, the research team focused on a non-precious metal-based fuel cell catalyst, the Fe–N–C catalyst. Previously used as an electrode material to promote oxygen reactions, the team applied this catalyst to a metal surface and designed a novel catalytic system that controls the corrosion reaction itself. The catalyst controls the oxidation-reduction pathways on the metal surface in a highly acidic environment, inducing the formation of a stable oxide film before the chromium and nickel are released.
Using a so-called "surface reaction engineering" approach, the research team enabled low-cost stainless steels to form a thin, dense protective film on their own, without the need for a separate, thick coating.
Experimental results showed a 99.94% reduction in corrosion-related current and a 99.98% reduction in metal release. The formed protective film remained stable even after exposure to 0.5 M sulfuric acid for over seven days, indicating that the low-cost material effectively achieved corrosion resistance comparable to that of high-end stainless steel.
Professor Kim Yong-tae stated, "This research overturns the conventional wisdom that thick coatings or the addition of expensive elements are necessary to prevent corrosion. This is a significant achievement that demonstrates that even inexpensive metals can form a stable protective film on their own. This research is expected to expand beyond stainless steel to a variety of other metals."
This research was supported by the National Research Foundation of Korea and the Ministry of Science and ICT.
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