서울대-스탠포드 공동연구진, ‘원자수 정밀 제어 백금 촉매기술’

실험실 규모 수십g 대량 생산, 추가 스케일업 통한 산업화 추진

과학기술정보통신부는 ‘탑-티어 연구기관 간 협력플랫폼 구축 및 공동연구 지원사업’에 참여한 서울대학교 박정원 교수와 미국 스탠포드대학교 토마스 하라미요 교수 공동연구팀이 수소 생산 촉매로 사용되는 고비용 귀금속인 백금의 사용량을 기존 대비 10분의 1 수준으로 줄이면서도 세계 최고 수준의 수소 생산 성능을 구현할 수 있는 차세대 촉매기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

이번 연구성과는 세계 최고 권위 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 29일 오전 3시(한국시간)에 게재됐다.수소는 탄소 중립 사회로의 전환을 이끌 핵심 청정 에너지원으로 주목받고 있다. 그러나 대용량 수소를 장거리 운송할 때 기존 고압가스, 액화수소 방식은 안정성과 비용 측면에서 한계가 있어, 액체 연료처럼 다룰 수 있는 액상유기수소운반체(LOHC) 기술이 유망한 대안으로 떠오르고 있다. 하지만 이 기술은 운반된 액상 물질에서 다시 수소를 추출하는 과정 중에 값비싼 귀금속(백금) 촉매가 필수적이라는 문제가 있었다. 결국 높은 가격으로 인해 대규모 수소 생산 공정에 적용하기 위해서는 금속 사용량을 최소화하는 것이 필요하다.

균일한 클러스터의 선택적 형성 모식도와 형성 과정별 전자현미경 관찰 결과.[과기정통 부 제공]

연구팀은 백금 원자 주변의 화학물질(리간드)를 제거하고, 백금 원자를 지지체(촉매 기반물질)에 직접 결합시키는 새로운 촉매합성 전략을 도입했다. 백금 원자가 지지체 위에서 가장 안정한 위치를 찾도록 유도하고, 수소 처리 과정을 거쳐, 머리카락 굵기의 10만분의 1크기(약 1nm)에 해당되는 백금 원자 뭉치(클러스터) 촉매를 균일하게 만드는 데 성공했다. 

이 촉매는 수소 추출 과정에서 백금 원자의 사용효율을 높이고, 지지체 위에 단단히 고정하여 뛰어난 내구성을 발휘한다. 또 연구팀은 새로 개발한 전자현미경 분석법을 통해, 겉보기에 거의 동일한 크기의 백금 원자 뭉치(클러스터)라도 구성 원자 수가 13개에서 31개까지 다를 수 있음을 세계 최초로 밝혀냈다. 기존에는 비슷한 크기의 촉매 입자는 같은 성능을 가진다고 여겨졌으나, 이번 연구를 통해 ‘원자 개수’가 촉매의 수소생산 성능과 내구성을 결정하는 핵심 요인임을 입증했다. 개발된 촉매를 액체 상태 화합물에서 수소를 뽑아내는 반응에 적용한 결과, 시중 기존 촉매보다 백금 사용량이 10분의 1로 대폭 줄면서도, 수소 생산량과 촉매의 수명(내구성)은 오히려 크게 향상됐다. 또한 이 합성법은 실험실 규모에서 수십 그램 단위의 대량 합성이 단일 공정으로 가능하여, 향후 친환경 수소 사회를 앞당길 경제적·산업화 가능성까지 함께 확인했다.

박정원 교수는 “개발한 촉매는 세계 최고 수준의 수소 생산 성능을 구현하면서도, 메탄올과 같은 비교적 저렴한 용매를 사용해 실험실 규모에서 단일 공정으로 수십 그램 수준의 대량 합성이 가능함을 입증했다”면서 “향후 실용화를 위해서는 경제성 분석을 통해 메탄올 사용량과 재사용 가능성을 검증할 필요가 있다”고 밝혔다.이어 “지지체 최적화가 추가적으로 이루어진다면, 더 낮은 비용으로 단위 촉매량당 더 높은 성능을 구현하는 촉매 개발도 가능할 것”이라고 덧붙였다. 황성훈 과학기술정보통신부 국제협력관은 “이번 성과는 탑티어 사업이 지향하는 세계 최초·최고 수준의 연구성과 창출을 보여주는 대표적 사례”라며 “앞으로도 정부는 연구자들이 국제협력을 통해 연구 역량을 한층 강화하고, 세계를 선도하는 성과를 지속 창출할 수 있도록 든든한 지원군이 되겠다”고 밝혔다.
(출처:헤럴드경제)