^*촉매: 화학반응에 참여해 반응속도를 변화시키지만, 그 자신은 반응 전후에 원래대로 남는 물질. 역할에 따라 정촉매와 부촉매로 나뉘지만 일반적으로 활성화 에너지를 낮춰 반응이 잘 이뤄지도록 돕는 정촉매를 촉매라 일컫는다.

^**그래핀(Graphene): 탄소 원자들이 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질

^*과전압: 전기분해로 수소나 산소를 발생시킬 때, 이론적인 값보다 전압을 일정 수준 높여야만 반응이 진행된다. 이때 더 요구되는 전압을 과전압이라 한다. 물에서 수소와 산소로 가는 길에 높은 산이 있다고 예를 들어 설명할 수 있으며, 이 높이가 낮을수록 에너지가 적게 들어간다. 촉매는 산 높이를 낮춰서 에너지 비용을 줄이는 역할을 한다고 생각하면 된다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

한정된 화석연료와 유가 상승, 지구온난화 문제로 전 세계가 친환경 에너지 개발에 적극 나서고 있다. 그 중에서 물을 원료로 하는 수소를 에너지원으로 사용할 경우 화석연료가 가진 환경문제뿐 아니라 에너지 고갈 문제도 해결할 수 있다. 비(非)화석연료로부터 수소를 제조하는 기술로는 ‘물의 전기분해’가 잘 알려져 있으며, 효율적인 수소 생산을 위해 과전압을 낮추는 촉매 개발이 중요한 기술로 꼽힌다. 이런 기술에 대한 중요성을 파악한 미국과 일본, 독일 등을 비롯한 기술선진국들은 이미 상당한 연구를 진행해왔다. 지금까지는 ‘백금(Pt)’이 최상의 촉매로 알려졌으나, 백금은 귀금속에다가 수요량도 많아 상용화하기에 가격 부담이 있다. 또 백금의 낮은 안정성도 아직까지 해결하지 못한 문제로 남아 있다.

2. 연구내용

본 연구팀은 수소발생반응 촉매 분야에서의 한계점을 해결하기 위해 저가 귀금속과 그래핀으로 성능, 안정성, 가격경쟁력 세 가지를 동시에 해결할 수 있는 촉매를 개발했다.

루테늄(Ru)은 수소와 결합력이 백금과 비슷함에도 불구하고, 아직 수소발생반응 촉매로서 활용하려는 연구가 미비했다. 또 루테늄 금속만 단독으로 사용하기에는 안정성도 떨어진다는 단점이 있었다. 하지만 기계화학적으로 기능화된 그래핀에 루테늄 나노입자들을 담은 새로운 물질(Ru@GnP)은 수소발생반응에서 최적의 촉매로 알려진 백금을 능가하는 성능을 보였다. 특히 루테늄엣그래핀(Ru@GnP)은 산‧염기도(pH)에 관계없이 좋은 성능을 보여 어떠한 환경에서도 응용이 가능하다. 다른 금속들과 함께 비교해도 결과에 대한 우수성이 입증됐다.

3. 기대효과

Ru@GnP은 그래핀에 루테늄이 담겨 있는 ‘금속@그래핀 복합체’이다. 루테늄은 상업용 촉매로 많이 이용되는 백금에 비해 싸기 때문에 가격경쟁력이 높으며, 안정성도 뛰어나 산업적으로 쓰이기 적합하다. 현재 많은 국가들이 정부 차원에서 수소 에너지를 사용하기 위해 촉매 개발에 힘쓰고 있다. 이번 연구 결과물의 상업화가 이뤄진다면 경제나 환경문제를 해결하는 데 크게 기여할 수 있다고 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 그래핀

탄소 원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질

2. 과전압

물을 전기로 분해해 수소나 산소를 발생시킬 때는 이론적인 값보다 일정 수준 높은 전압을 주어야만 반응이 진행된다. 이때 이론적인 값보다 더 요구되는 전압을 과전압이라 한다. 하지만 높은 전기 에너지는 열손실과 촉매 부식을 촉진하므로 물 분해 시 과전압을 낮추는 기술이 요구된다.

3. 페하(pH)

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

[붙임] 연구결과 문답

1. 이번 성과 뭐가 다른가

저가 금속과 그래핀 활용해 백금 촉매를 대체할 수 있는 에너지 촉매 개발

2. 어디에 쓸 수 있나

촉매, 에너지 변환 및 저장 등 다양한 분야에서 사용될 수 있음.

3. 실용화까지 필요한 시간은

1~2년

4. 실용화를 위한 과제는

Ru@GnP 촉매의 대량 제조 및 상용화를 위한 산-학간 교류

5. 연구를 시작한 계기는

본 연구팀에서 보유한 새로운 그래핀 제조 공정인 기계화학적 공정은 고품질의 그래핀을 저렴하게 대량으로 제조할 수 있음. 이를 이용한 새로운 그래핀 촉매를 제조하고자 했고, 그래핀에 촉매 물질을 담은 새로운 수소발생반응 촉매를 개발함. 그래핀과 촉매 물질에서 시너지 효과가 나타나므로 기존 촉매로는 보여줄 수 없었던 우수한 성능을 발휘할 수 있을 것으로 생각했고, 실제 결과로 입증함

6. 에피소드가 있다면

처음 Ru@GnP를 제조했을 때, 수소 발생 성능이 예상했던 값에 훨씬 못 미치는 결과를 받아들었음. 당시에 포기하고 다른 연구를 진행할까 고민도 했지만, 이후 추가 공정을 개발해 문제점을 해결하면서 우수한 성능을 가지는 Ru@GnP 촉매를 얻을 수 있었음.

7. 꼭 이루고 싶은 목표는

Ru@GnP를 이용한 수소 발생 장치 시제품을 제조해 산업계로부터 주목받는 추가 연구 성과를 내고 싶음

8. 신진연구자를 위한 한 마디

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

[붙임] 그림 설명