UNIST, 질소-탄소나노튜브에 백금 원자 입힌 촉매 개발
수소 생성 돕는 원자 작용 원리 풀어...‘네이처 에너지’ 논문 게재
"백금 촉매의 경제성, 효율성 해결 실마리 찾았다"
[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 비싼 귀금속인 ‘백금(Pt)’을 아주 조금만 써서 수소를 대량으로 빨리 생산할 촉매가 개발됐다.
31일 울산과학기술원(UNIST·총장 정무영)에 따르면 UNIST 자연과학부 화학과 김광수 특훈교수(국가과학자) 연구팀은 상용화한 백금 촉매의 80배 적은 양의 백금만 사용하고도 수소 생성 활성도는 100배 높이는 새로운 수소 생산 촉매를 개발했다.
이번 연구결과(논문명 ‘Multicomponent electrocatalyst with ultralow Pt loading and high hydrogen evolution activity’)는 에너지 분야의 최고 권위지인 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 7월30일자 온라인판에 발표됐다.
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| (그림1) 질소-탄소나노튜브 위에 백금(흰색)이 미량으로 덮인 모습. [자료=UNIST] |
수소는 공기 중에 있는 산소와 반응해 전기를 만들고 물만 배출하는 청청 신재생에너지원이다. 석탄이나 석유처럼 이산화탄소 같은 탄소화합물을 만들지 않기 때문에 지구온난화와 대기오염 문제에서 자유롭다. 하지만 수소 생산 기술이 비싸 아직 널리 쓰이지 못하는 형편이다.
수소를 얻는 대표적 방법은 물(H₂O)을 전기로 분해해서 산소 기체(O₂)와 수소 기체(H₂)를 만드는 ‘수전해 반응’이다. 이때 수전해 반응을 도와주는 촉매가 필요한데, 현재는 백금을 주로 활용한다.
하지만 백금은 매장량에 한계가 있는 데다 비싼 가격을 가진 귀금속이다. 따라서 백금을 더 적게 쓸 촉매를 만들거나 아예 다른 물질로 대체하려는 연구가 수소 에너지 분야의 핵심이 되고 있다.
김 교수가 이끄는 초기능성물질연구소는 효율적인 수소 생성 방법을 찾기 위해 이번 연구를 진행했다.
연구진은 질소(N)가 도입된 탄소나노튜브(CNT)에 극미량의 백금을 입힌 촉매를 개발했다. 대나무 마디처럼 생긴 이 튜브는 내부에 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu) 금속 나노입자들이 들어 있다. 이 여러 성분이 상호작용하면서 백금이 가진 특성을 높여 수소 발생 활성도가 증가한다.
원래 백금 표면은 수소를 붙잡아 두는 에너지가 적어서 물 분자에서 분해된 수소 원자들끼리 쉽게 만나 기체로 변한다고 알려져 있다.
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| (그림2) 질소(파랑)-탄소나노튜브(노랑) 위에 백금(보라색)이 올려져 있는 구조. 하늘색은 수소 원자다. 2018.07.31 [자료=UNIST] |
연구진은 촉매 활성을 계산해 ‘새로 개발된 촉매에서 여러 성분이 상호작용하면서 백금이 가진 특성을 더욱 증강시키고 수소를 붙잡아두려는 에너지가 거의 0에 가까워져 수소 기체를 만드는 효율이 더 높아진다’는 것을 밝혔다.
또 연구진은 백금 원자 하나와 백금 나노 뭉치가 있을 경우의 촉매 활성을 모델링했다. 그 결과 백금 원자들이 백금 나노 뭉치들과 섞였을 때 촉매 표면의 전도성이 증가해 수소 발생 효율이 훨씬 좋아진다는 새로운 과학적 현상을 최초로 규명했다.
이러한 모델링에 의한 예측 결과를 토대로 촉매의 매우 복잡한 표면의 구조를 실험적으로 원자 수준에서 관측할 수 있게 됐다. 또 모델링의 정확성을 입증함으로써 활성도가 개선되는 이유도 규명하게 됐다.
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| UNIST 자연과학부 화학과 김광수 특훈교수(국가과학자) 2018.07.31 [자료=UNIST] |
김 교수는 “이번 연구의 중요성은 수소 생산 효율을 크게 높인 새 촉매를 개발했는 점”이라며 “이 물질의 모델링과 해석을 통해 최상의 촉매를 설계하는 구체적인 방향도 제시했다”고 의미를 짚었다.
그는 이어 “수소 기반 에너지 산업의 걸림돌이었던 백금 촉매의 경제성과 효율성이라는 문제를 해결할 실마리를 잡았다”고 덧붙였다.
kimys@newspim.com
