국내 연구진이 기존 귀금속 기반 촉매를 대체할 수 있는 저가·고효율 수소 생산 촉매를 개발했다. 기존 최고 성능 촉매 대비 가격은 월등히 싸면서도 수소 생산 효율은 거의 비슷하다.
현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단장 연구팀은 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈 제어소재 연구단 단장(서울대 교수), 김형준 카이스트 교수팀과 공동으로 우리 몸 효소와 작동원리가 유사한 불균일촉매를 개발했다고 22일 밝혔다.
연구진은 효율이 높은 균일촉매와 저렴하고 재활용 가능한 불균일촉매 장점만을 결합한 새로운 촉매를 개발했다.
광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 위에 구리 원자를 올려 효소처럼 작동하게 만든 단원자 구리·이산화티타늄 촉매다. 효소는 주변 단백질과 수소를 주고받는 상호작용으로 주변 환경과 반응하기 가장 적합한 형태로 구조를 바꿔 촉매반응에 참여한다.
연구진은 개발한 촉매가 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 상호 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고, 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것을 밝혔다.
이 촉매를 햇빛을 이용, 물로 수소를 생산하는 반응에 적용하자 전달받은 빛 40% 이상을 수소전환반응에 사용하는 것을 확인했다. 이는 성능이 가장 우수하지만 값비싼 백금·이산화티타늄 광촉매와 비등하다.
값비싼 백금 대신 구리를 사용해 경제적인 동시에 반응에 쓰인 불균일촉매는 다시 회수해 오랫동안 안정적으로 재활용할 수 있어 폐촉매가 발생하지 않는다.
가장 이상적 촉매인 효소와 유사하게 작동하는 불균일촉매를 세계 최초로 개발하고, 불균일촉매 단점인 낮은 효율 문제를 해결했다.
높은 효율, 낮은 가격, 친환경성이라는 세 마리 토끼를 모두 잡은 기술로 평가된다. 향후 수소생산은 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학공정에서도 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다.
현택환 단장은 “촉매를 햇빛으로 수소로 생산하는 광촉매반응에 적용하면 상온·상압에서도 안정적이고, 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있다”고 설명했다.
이번 연구 성과는 네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF39.2) 온라인판에 23일 실렸다.
최호 정책기자 snoop@etnews.com
