^*루테늄엣씨투엔(Ru@C₂N): 2017년 2월 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 보고된 고효율‧고안정성 물 분해 촉매. 루테늄을 2차원 고분자 복합체인 씨투엔(C₂N) 위에 올려둔 형태로 합성했다. (관련 논문: An efficient and pH-universal ruthenium-based catalyst for the hydrogen evolution reaction)

^**루테늄엣그래핀(Ru@GnP): 2018년 9월 어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materials)에 보고된 물 분해 촉매. 루테늄을 그래핀 위에 올려둔 형태로 가격 경쟁력이 크다.(관련 논문: Mechanochemically Assisted Synthesis of a Ru Catalyst for Hydrogen Evolution with Performance Superior to Pt in Both Acidic and Alkaline Media)

[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 백금(Pt)이다. 그러나 백금은 귀금속으로 많이 쓰이기 때문에 촉매로 상용화하기에 가격이 너무 높다. 이뿐 아니라 낮은 안정성도 문제점으로 지적되고 있다.

2. 연구내용

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

현재 사용되는 금속 촉매 중 이론적으로 수소발생반응(HER)에 적합한 촉매는 백금(∆GH=-0.09 eV)과 이리듐(∆GH=+0.03 eV)으로 알려져 있다. 이론적으로 계산된 절대값만 보면, 이리듐이 백금보다 0에 가깝다. 따라서 이리듐이 낮은 과전압을 나타내며 우수한 촉매 성능을 보여야 한다. 하지만 원자화되는 엔탈피 에너지(∆Hat=669.4 kJ mol-1)가 백금(∆Hat=564.8 kJ mol-1)보다 높아 응집 현상으로 인한 성능 저하가 일어났다.

연구진에서 개발한 Ir@CON은 다공성 3차원 구조체 내부에 이리듐을 고정시켜, 앞서 언급한 응집현상을 막고, 작은 크기의 이리듐 입자들이 응집되는 것을 막았다. 이는 이리듐의 자리를 안정적으로 잡는 효과를 가져와 이론적으로 예측됐던 수소 발생 반응 성능을 실험적으로 세계 최초로 규명하게 됐다.

연구진은 같은 방법으로 백금(Pt)도 Pt@CON 촉매도 만들어 수소 발생 효율을 비교한 결과 Ir@CON 촉매가 이론적인 계산 결과와 잘 맞다는 걸 확인했다. 현재까지 보고된 수소 발생 촉매 중 가장 낮은 과전압에서 가장 우수한 성능을 보이는 물질은 Ir@CON였다. 또 촉매 활성도도 알려져 있는 다른 촉매들보다 뛰어났다.

3. 기대효과

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 3차원 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. 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)

재료 분야 세계 최고 권위지(2017 Impact Factor= 21.950)

2. 3D-CON

백종범 교수팀에서 개발해 독일응용화학회지 앙게반테 케미(Angewandte Chemie, 2018, 57, 3415-3420)에 보고된 3차원 유기 구조체. 비가역 반응을 통해 제조됐으며 안정성이 우수하다. 1기압에서 세계 최고의 수소 저장 용량을 보여준 신물질이다.

3. 촉매

화학 반응에 참여해 반응속도를 변화시키지만 그 자신은 반응 전후에 원래대로 남는 물질. 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 집속해 시료에 조사한 뒤, 시료를 투과한 전자선을 전자렌즈로 확대해 상을 얻는 기기를 말한다.

[붙임] 연구결과 문답

1. 이번 성과 뭐가 다른가

이리듐(Ir)금속과 3차원 유기 구조체 복합체를 통해 세계 최고 성능의 물 분해 촉매를 개발

2. 어디에 쓸 수 있나

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

3. 실용화까지 필요한 시간은

3-5년

4. 실용화를 위한 과제는

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 모든 구조가 공명구조를 가지는 3차원 유기 구조체를 설계하고, 유기화학반응으로 새로운 3차원 유기 구조체 3D-CON 합성시작. 이후 에너지 분야에 활용할 수 있는 응용분야 탐색 중 발견

6. 꼭 이루고 싶은 목표는

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

7. 신진연구자를 위한 한마디

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

[붙임] 그림설명