서울대 재료공학부 남기태 교수 연구팀이 친환경 에너지로 각광받는 수소 생산 및 이산화탄소 환원 연료 생산에 활용 가능한 원천 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.
한국기초과학지원연구원 김선희 박사, 한국과학기술원 화학과 김형준 교수와 공동연구를 통해 자연계 광합성 원리를 모방해 만든 망간 기반의 비균질 촉매에서, 세계 최초로 물산화 반응 도중 전자 스핀 상태의 변화를 관찰했다.
자연계 광합성 시스템에서, 핵심 반응인 물 산화 반응은 망간과 칼슘으로 구성된 유무기 클러스터에 의해 진행된다. 망간칼슘 클러스터는 반응 도중에 독특한 구조 변화를 통해 전자 스핀 상태 및 에너지 상태가 최적화되어 뛰어난 물 산화 효율을 나타낸다.
이러한 생체 촉매 특성을 안정적이며 대량화가 용이한 비균질 촉매 시스템에 모방하고자 노력해왔다. 그러나 상대적으로 낮은 효율과 작동원리 규명의 어려움 등으로 아직까지는 뚜렷한 성과가 나오지 않고 있는 상황이다.
연구팀은 10nm 이하의 매우 작은 망간 산화물에 니켈 이종원소를 도입해 표면 망간의 구조가 뒤틀려 있는 형태의 촉매 물질을 개발하고 실시간 분광학 분석법으로 물 산화 반응 경로와 핵심 작동원리를 밝혔다. 이를 통해 물 산화 반응 도중 망간의 전자 스핀 상태가 바뀌는 것을 밝히고, 이것이 자연계의 망간칼슘 클러스터의 핵심 작동원리와 유사함을 증명했다.
니켈이 도입된 망간 산화물 나노촉매는 기존 촉매에 비해 물 산화 효율을 2배 이상 향상시킬 수 있다. 연구에서 규명한 망간의 전자 스핀 상태 제어 원리는 물 산화 반응뿐 아니라, 이산화탄소 환원 등 다양하고 유용한 전기화학 반응들에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
남기태 교수는 “값싸고 풍부하다는 장점을 가진 망간 나노입자의 물 산화 반응 경로 제어를 통해 추후, 물 분해를 통한 수소 생산 및 이산화탄소 환원을 통한 연료 생산 등 다양한 전기화학 촉매 분야에 활용될 수 있는 중요한 기술적 단초를 제공할 것이다”라고 전했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업, 중견연구자 지원사업, 한국과학기술연구원 KIST-SNU Joint Research Lab, 산업통상자원부 소재부품기술개발사업, POSCO Science Fellowship (Post-Doc) 사업 지원으로 수행됐다.
논문은 국제학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'에 10월 16일자로 게재됐다.
김명희기자 noprint@etnews.com
