[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

화석 연료의 유한성과 유가 상승, 지구온난화 문제로 전 세계가 친환경 대체 에너지 개발에 적극 나서고 있다. 물을 원료로 하는 수소를 에너지원으로 사용하는 방안도 이 중 하나다. 물은 지구상에서 무궁무진하므로 화석 연료가 가진 자원 고갈 문제를 해결할 수 있다. 물 자체가 오염물질을 배출하지 않으므로 환경오염 부분에서도 자유롭다.

화석 연료를 사용하지 않고 수소를 생산하는 기술로 잘 알려진 것은 물의 전기분해다. 그 중 전기화학적인 수소발생반응(hydrogen evolution reaction, HER)은 가장 중요한 방법이다. 이 반응을 이용해 수소를 효율적으로 생산하기 위해 과전압을 낮추는 촉매가 개발돼야 한다. 이런 기술의 중요성은 이미 미국, 일본, 독일을 비롯한 기술 선진국에 의해 상당히 연구돼왔다.

지금까지 알려진 최고의 물 분해 촉매는 백금이다. 그러나 백금은 귀금속으로 많이 쓰이기 때문에 촉매로 상용화하기에 가격이 너무 높다. 이뿐 아니라 낮은 안정성도 문제점으로 지적되고 있다.

2. 연구내용

본 연구팀은 수소 발생용 물 분해 촉매로 백금의 한계를 인지하고 해결하기 위해, 금속과 유기 구조체를 이용한 복합체를 제조했다. 이를 통해 (1)효율, (2)내구성, (3) 저전압, (4)가격경쟁력을 동시에 해결하는 데 성공했다.

이론적으로 루테늄(Ru)은 백금과 비슷한 수소와 결합력을 가졌다고 알려졌다. 그럼에도 불구하고 이를 실험적으로 물 분해 반응에 응용해 증명한 연구는 없었다. 루테늄만 단독으로 쓰면 안정성이 나빠 이론적으로 뒷받침할 실험을 하기 어려워서다.

이에 연구진은 루테늄 나노 입자(2㎚ 미만)를 2차원 유기 구조체인 C₂N에 담아 고정시켰다. 그 결과 새로운 물 분해 촉매인 ‘Ru@C₂N’이 만들어졌다. 이 촉매는 백금보다 우수한 성능을 발현했으며, 산도(pH)에도 영향을 받지 않았다. 다른 금속과 비교해도 물 분해 촉매로서 우수성이 입증됐다.

연구진은 또 Ru@C₂N 촉매의 우수한 특성을 연구하기 위해 밀도함수이론(DFT)으로 실험결과를 뒷받침해 연구의 신뢰성을 더 높였다. 투과전자현미경(TEM)으로 균일한 루테늄 나노 입자들이 2차원 유기 구조체 C₂N에 안정적으로 분산된 구조도 확인할 수 있었다.

3. 기대효과

Ru@C₂N 촉매는 루테늄을 포함한 유기 구조 복합체다. 루테늄은 상업용 촉매로 주로 이용되는 백금에 비해 높은 가격경쟁력(1/25, 4%)을 가진다. 또 촉매의 안정성도 뛰어나 상업적 이용가치가 매우 크다고 할 수 있다.

현재 많은 선진국이 정부 차원에서 미래청정 에너지원으로 수소를 고려하며, 수소산업의 중심에 있는 물 분해 촉매 개발에 힘쓰고 있다. 따라서 물 분해 촉매의 연구방향을 제시한 본 연구 성과가 궁극적으로 상업화까지 이어질 경우, 에너지 및 환경 문제를 해결하는 데 중요하게 기여할 것으로 사료된다.

또 이번 연구는 학술적으로도 의미가 크다. 비가역 반응을 통해 합성한 안정적인 2차원 유기 구조체에 금속 나노 입자를 고정함으로써 금속촉매가 가지는 여러 문제점을 한꺼번에 해결할 수 있다는 것을 처음으로 제안했기 때문이다. 앞으로 많은 연구자가 본 연구결과를 바탕으로 더 발전된 물 분해 촉매를 개발하는 데 크게 기여할 것으로 판단된다.

[붙임] 용어설명

1. Nature Nanotechnology

나노과학 분야 세계 최고 권위 학술지(2015 Impact Factor = 35.267).

2. C₂N

백종범 교수 연구팀에서 개발해 Nature Communications(2015, 국가연구개발 최우수성과 12선, 미래부장관 표창)에 보고된 2차원 유기 구조체다. 탄소와 질소가 2:1 비율로 일정하게 배열돼 있고, 균일하게 구멍이 뚫려있는 신물질이다.

3. 촉매

화학 반응에 참여해 반응속도를 변화시키지만 그 자신은 반응 전후에 원래대로 남는 물질을 말한다. 역할에 따라 정촉매, 부촉매로 나뉘지만 일반적으로 활성화 에너지를 낮춰 반응이 잘 일어나도록 돕는 정촉매를 통상적으로 촉매라 일컫는다.

4. 과전압

전기분해에서 수소나 산소를 발생시킬 때, 이론적인 값보다 전압을 일정 수준으로 높여야 반응이 진행된다. 이때 더 요구되는 전압을 과전압이라 하며, 전기 에너지는 열손실로 이어지므로 기체를 생성하는 경우 과전압을 낮추는 기술이 요구된다.

5. 산도(pH)

물의 산성이나 알칼리성의 정도는 나타내는 수치로서 수소 이온 농도의 지수를 말한다. pH=-log[H+]로 계산된다.

6. 투과전자현미경(TEM)

전자현미경 중에서 전자선을 집속하여 시료에 조사한 뒤, 시료를 투과한 전자선을 전자렌즈로 확대하여 상을 얻는 기기를 말한다.

[붙임] 연구결과 문답

1. 이번 성과 뭐가 다른가

값싼 금속과 2차원 유기 구조체 복합체를 통해 세계 최고 성능의 물 분해 촉매를 개발

2. 어디에 쓸 수 있나

무궁무진한 물을 낮은 전압(비용)에서 분해해 차세대 청정에너지인원인 수소를 효과적으로 양산할 수 있음

3. 실용화까지 필요한 시간은

3-5 년

4. 실용화를 위한 과제는

본 연구 성과는 시작에 불과하며, 다양한 금속과 유기 구조체 간의 조합을 통해 보다 값싸고 더 효율이 높은 물 분해 촉매 개발로 산업에 적합한 모델 발굴 및 산업계-학교간의 교류 촉진

5. 연구를 시작한 계기는

7년 전 그래핀의 구조적 한계를 인식하여, 문제점을 해결하고자 유기화학반응으로 새로운 2차원 유기 구조체 C₂N 합성시작. 이후 에너지 분야에 활용할 수 있는 응용분야 탐색 중 발견

6. 에피소드가 있다면

전기적 특성이 뛰어나고 구조적으로도 매우 안정한 유기 구조체들을 많이 합성했지만 어디에 응용할 지 고민이 많았음. 그런데 우연히 금속과 2차원 유기 구조체 간에 상호 호환성이 있음을 알고, 복합체를 합성했더니, 너무나 뛰어난 새로운 특성이 발현됨. 이후 원인 분석을 위해 수많은 시간을 쏟으며 UNIST 연구진들과 함께 협력했고, 불가능할 것만 같던 결과를 내게 돼 자신감을 얻었음.

7. 꼭 이루고 싶은 목표는

2010년 노벨상을 받은 그래핀을 능가하는 2차원과 3차원 유기 구조체를 합성해 학계는 물론 산업계에서도 주목 받는 연구 집단으로 성장하는 것

8. 신진연구자를 위한 한마디

열정과 자신감을 가지고 성실히 연구한다면 좋은 연구 결과를 얻을 수 있을 것임

[붙임] 그림설명