값비싼 백금(Pt)을 원자 하나까지 아껴서 수소를 생산하는 극한 기술이 개발됐다.
이는 자연계의 물리적 본능인 원자 뭉침 현상을 제어해 소재 효율을 이론적 한계치까지 끌어올린 성과로 주목받고 있다.
한국연구재단은 아주대 화학과 유성주 교수팀이 고가의 백금 원자를 단 하나도 낭비하지 않고 모든 원자가 수소 생산반응에 참여하도록 만드는 촉매 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.
비싸고 효율 낮은 백금 촉매
현재 기후위기 대응을 위해 태양광이나 풍력 등 재생에너지로 물을 분해해 만드는 그린수소가 주목받고 있다.
하지만 수소를 만드는 과정에서 들어가는 백금 촉매가 워낙 비싸 생산 단가를 높이는 원인이 됐다.
보통 백금은 나노입자 형태로 쓰이며, 입자 내부 원자들은 화학 반응에 참여하지 못해 효율이 낮은 단점이 있다.
이 문제를 해결하려면 백금을 원자 하나 수준으로 쪼개 넓게 펼치는 ‘단일원자 촉매’ 기술이 필요하다.
이는 모든 원자가 표면에 노출돼 반응하기 때문에 효율을 극대화할 수 있다.
하지만 원자 상태 백금은 불안정한 상태를 견디지 못하고 다시 서로 뭉치려는 성질이 강해 수소 생산성능이 급격히 떨어지는 한계가 있다.
구조적 임계점 찾아 원자 뭉침 막아
연구팀은 실제 반응 환경에서 백금 원자들이 서로 뭉치지 않고 최상의 성능을 유지하는 ‘구조적 임계점’을 찾아냈다.
원자가 하나씩 떨어져 있는 상태를 유지할 수 있는 최대 밀도를 규명해 원자 뭉침을 원천 차단한 것이다.
실험결과 백금 1g만으로 기존 나노입자 촉매 82g에 해당하는 수소 생산 능력을 발휘했다.
촉매 1g당 만들어 낼 수 있는 수소 양을 뜻하는 ‘질량 활성’이 약 82배 향상된 것이다.
연구팀은 복잡한 공정 없이 상온에서 용액을 섞고 열처리하는 간단한 합성법도 고안했다.
이 기술을 적용한 촉매는 장시간 구동 실험에서도 성능 저하 없이 안정적으로 수소를 생산했다.
기존 전자현미경 관찰은 원자를 직접 볼 수 있지만, 아주 좁은 영역만 볼 수 있어 전체 촉매 특성을 대표하기 어려웠다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 실시간 실험과 수학적 모델링을 결합해 구조 변화와 촉매 활성 사이 상관관계를 정밀하게 검증했다.
이번 기술은 백금 사용량을 80분의 1 수준으로 줄여 수소 생산설비 설치비용을 대폭 낮출 수 있다.
또 촉매 내구성이 높아 교체 주기를 늘리고 설비 운영비도 절감할 수 있을 것으로 기대한다.
유 교수는 “이번 연구성과는 촉매 성능이 떨어지는 원인을 원자 수준에서 이해하고 본질적인 해결 전략을 제시한 것”이라며 “고가 귀금속 활용도를 극대화해 다양한 친환경 에너지 공정 비용을 낮추는 데 기여하겠다”라고 말했다.
한편, 이번 연구는 아주대 박준서 박사과정이 제1저자로 수행했고, 연구결과는 지난달 17일 국제학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’에 게재됐다.
(논문명 : Stability Thresholds of Atomically Dispersed Platinum Catalysts for Solar Hydrogen Production)
