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비싼 귀금속인 ‘백금(Pt)’을 아주 조금만 써서 수소를 대량으로 빨리 생산할 촉매가 개발됐다. UNIST(총장 정무영) 자연과학부 화학과의 김광수 특훈교수(국가과학자)가 이끄는 연구팀이 상용화된 백금 촉매의 80배 적은 양의 백금만 사용하여 수소 생성 활성도는 100배 높이는 새로운 수소 생산 촉매를 개발했다. 이 연구결과는 에너지 분야의 최고 권위지인 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 7월 30일자 온라인판에 발표됐다. 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. 그러나 백금은 매장량에 한계가 있는데다 비싼 가격을 가진 귀금속이다. 따라서 백금을 더 적게 쓸 촉매를 만들거나 아예 다른 물질로 대체하려는 연구가 수소 에너지 분야의 핵심이 되고 있다. 김광수 교수가 이끄는 초기능성물질연구소에서는 효율적인 수소 생성 방법을 찾고자 이번 연구를 진행했다. 제1저자인 티와리(Tiwari) UNIST 화학과 연구교수와 설탄(Sultan) UNIST 화학과 박사과정 연구원은 질소(N)가 도입된 탄소나노튜브(CNT)에 극미량의 백금을 도포한 촉매를 개발했다. 대나무 마디처럼 생긴 이 튜브는 내부에 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu) 금속 나노입자들이 들어 있다. 이들 여러 성분들이 상호작용하면서 백금이 가진 특성을 높여 수소 발생 활성도가 증가된다. 원래 백금 표면은 수소를 붙잡아두는 에너지가 적어서 물 분자에서 분해된 수소 원자들끼리 쉽게 만나 기체로 변한다고 알려져 있다. 하미란 UNIST 화공학과 박사과정 연구원은 촉매 활성을 계산해 ‘새로 개발된 촉매에서 여러 성분들이 상호작용하면서 백금이 가진 특성을 더욱 증강시키고, 수소를 붙잡아두려는 에너지가 거의 0에 가까워져 수소 기체를 만드는 효율이 더 높아진다’는 것을 밝혔다. 명창우 UNIST 화학과 박사과정 연구원은 백금 원자 하나와 백금 나노뭉치가 있을 경우의 촉매 활성을 모델링했다. 그 결과 백금 원자들이 백금 나노뭉치들과 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. 김광수 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. (끝)
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경탄화수소에 기반한 석탄이나 석유 같은 에너지 자원은 근본적으로 매장량의 한계를 가진다. 또 부산물로 이산화탄소를 만들어내 지구온난화와 같은 환경적 문제를 야기하고 있다. 이에 따라 국제적, 국가적으로 탄화수소 자원을 규제하고 차세대 에너지원에 대한 투자 및 연구가 활발히 이루어지고 있다. ‘수소’를 에너지원으로 쓰는 기술이 대표적인 예이다. 수소는 지속 가능한 신재생에너지원으로 연료전지나 수소자동차의 동력원으로 쓰일 수 있다. 그러나 수소를 만들어 내기 위한 전력소모와 촉매 물질의 비싼 가격 때문에 수소를 자원화하는 데 한계가 있었다. |
2. 연구내용물을 전기로 분해해 수소와 산소를 만드는 반응을 수전해 반응이라고 한다. 이 반응의 핵심 중 하나는 수소 양이온이 수소 기체가 되는 것인데, 이때 촉매로 ‘백금(Pt)’이 활용된다. 수소 이온이 백금에 달라붙으면서 전자를 받아 수소 기체가 생성되는 것이다. 그런데 백금은 귀금속이라 매장량의 한계가 있고 가격적인 측면에서 경쟁력이 떨어진다. 이에 따라 이 백금의 효율을 높여 사용량을 최소화하거나, 다른 금속과 결합 또는 대체해 경쟁력을 높이려는 연구가 활발히 수행되고 있다. 이번 연구에서는 백금을 적게 쓰면서 촉매 효율은 극대화하기 위해 단원자 백금과 백금 클러스터(cluster)를 합성했다. 극미량의 백금을 사용해 최대의 효율을 내는 촉매를 개발한 것이다. 또 이 물질이 높은 효율을 내는 이론적 해석도 제공했다. 실험을 통해 극미량의 단원자 백금 또는 백금 클러스터가 안정하게 존재 가능한 환경을 만들었다. 이는 구리와 코발트, 철을 둘러싼 탄소나노튜브 외벽에 단원자 백금과 백금 클러스터를 적은 양 도포하는 것이었다. 그 결과 기존 백금 촉매(Pt/C)에 의한 수소 생성속도보다 100배가량 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 또한 모델링을 통한 계산으로 이 시스템에서 실제 백금과 백금 클러스터에서 어떠한 반응이 일어나는지 해석해냈다. 질소가 도입된 탄소나노튜브의 표면에 있는 결함자리에 2개의 탄소 원자와 2개의 질소 원자에 둘러싸인 단원자 백금은 매우 안정성이 크다. 따라서 다른 백금 원자들과 쉽게 결합할 수 없어 나노뭉치로 변환되지 않고, 또한 거의 0에 가까운 수소흡착 자유에너지를 가진다. 그러나 단원자 백금만으로는 수소 발생 활성의 증가에 한계가 있었다. 반면 백금 단원자들과 백금 나노뭉치들이 섞이면 서로 간 전자 에너지 영역이 중첩됨으로써 상승효과가 발생한다. 이는 촉매 표면의 전도성을 증가시켜, 촉매 활성을 높이게 된다. 정리하면 단원자 백금과 백금 클러스터에서 각각 수소 흡착 자유 에너지와 전기전도성을 계산한 결과, 실제 촉매로서의 효율을 내기 위해서는 ‘단원자 백금의 낮은 수소 흡착 자유 에너지와 백금 클러스터의 전기 전도성이 모두 작용하는 시너지 효과가 필요하다’는 것을 밝혀낸 것이다. 이러한 분석은 앞으로 촉매 연구에 있어서도 최초로 발표된 중요한 과학적 발견이다. |
3. 기대효과백금 촉매의 경제성과 효율성이 수소 기반 에너지 산업의 발전에 하나의 걸림돌이었다. 백금 기반의 수소 발생 반응에서 기존의 Pt/C의 1/80인 극미량의 백금을 사용하지만, 촉매 효율성을 극대화함으로써 기존의 Pt/C 촉매 효율을 100배가량 증진시켰다. 상용화된 백금 촉매에 들어가는 양이면 8,000배 더 많은 수소를 생산할 수 있다. 이로써 수소 생산 기술의 경제적 경쟁성을 갖추고 실제 산업에 널리 활용될 가능성을 열었다. |
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[붙임] 그림 설명 |
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왼쪽 그림은 철-코발트-구리 합금을 둘러싸고 멜라민 질화탄소 화합물이 성장하면서 대나무 마디처럼 생긴 ‘질소가 도핑된 탄소나노튜브’가 만들어진 모습이다. 이 물질의 표면에 극미량의 백금 단원자들이 탄소 원자의 빈자리들에 끼어 있는 모습이 가운데 사진인데, 하얀 좁쌀 모양의 입자가 백금 단원자다. 크고 하얀 큰 입자뭉치는 백금 나노뭉치다. 오른쪽 그림은 탄소나노튜브(노란색)에 질소 원자(파란색)가 도입돼 있고, 탄소 원자들과 질소 원자들 가운데 백금 단원자(보라색)가 끼어 있는 원자 구조(Pt-C₂N₂)이다. 백금 위에 올려진 하늘색 원자는 수소를 뜻한다. 새로 만들어진 촉매는 기존 백금 촉매에 비해 1/80만큼의 백금 양으로 100배 높은 수소 발생 활성도를 보여 주고 있다. |
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