연세대 교수진, 세계 최고 수준의 수소 발생 촉매 개발
연세대 교수진, 세계 최고 수준의 수소 발생 촉매 개발
  • 이원지 기자
  • 승인 2017.03.27 17:00
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이동일 교수팀, "기존 기술 대비 2.3배 빠르게, 15배 더 많이 처리 가능"

[대학저널 이원지 기자]연세대학교(총장 김용학) 연구진이 원자 단위로 제어된 거대원자입자 제조 기술을 이용해 최적화된 수소와의 흡착 에너지를 갖는 합금 거대원자입자를 합성하고, 이를 이용한 세계 최고 성능의 수소 발생 반응 촉매를 개발했다.     

수소 에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지원으로 각광받고 있어 물을 분해해 수소를 효과적으로 발생시키고자하는 촉매의 개발이 지난 수년간 많은 주목을 받아왔다. 수소 발생 촉매로는 귀금속인 백금이 주로 사용되고 있으나, 소재의 높은 가격과 낮은 안정성이 문제시 되어왔다. 이를 극복하기 위해 많은 촉매 개발 연구가 진행되고 있지만, 촉매의 복잡한 구조 및 합성과정, 그리고 반응시 필요한 높은 과전압과 낮은 수소 발생 효율의 문제로 실용화가 가능한 촉매 개발은 한계에 봉착해있다.

이에 이동일 연세대 교수팀은 기존 촉매의 범주에서 벗어난 새로운 고성능 촉매 제조를 위해 원자단위로 조성 제어가 가능한 거대원자입자(superatomic particle)에 주목했다. 거대원자입자는 수 개에서 수백 개의 금속 원자로 이뤄진 매우 작은 크기(2 나노미터 이하)의 중심금속(core)과 이를 안정화시키는 금속-리간드 막(shell)으로 구성된 입자인데, 각각의 구성 원소가 입자의 물성 결정에 참여하여 하나의 거대한 원자처럼 거동하며 그 크기는 단일 원자와 나노입자 사이의 영역에 놓여있다.

거대원자입자의 전·자기적, 광학적, 전기화학적 특성은 구성 원소의 종류/개수/조성/구조 등에 따라 매우 민감하게 변화해 원자 단위에서 특성의 제어가 가능한 새로운 형태의 기능 소재로 부각되고 있다. 특히 거대원자입자는 촉매 반응에 따라 원자 단위에서의 맞춤형 설계 및 제조가 가능하므로 혁신적 촉매 신소재로 평가받고 있다.

이번 연구에서 연구팀은 금으로 구성된 거대원자입자의 중심 금 원자 하나를 백금 원자로 치환해 합금 거대원자입자를 제조하고, 이를 수소 발생 반응 촉매로 이용했다. 실제 물분해 수소 발생 반응 결과, 0.1 V 이하의 매우 낮은 과전압을 가지며, 기존의 백금계 촉매에 비해 2.3배 증가한 수소 발생 속도를 나타낸다는 사실을 밝혔다. 이는 기존 유사 촉매 시스템 대비 무려 15배나 더 많은 단위시간당 수소 발생량 나타낸다. 이 결과는 새롭게 설계·제조된 거대원자입자 촉매가 기존의 촉매 시스템보다 성능이 우수함을 입증한 것이며, 현재까지 보고된 모든 수소 발생 촉매 중 최고 수준의 성능이다. 

반응을 촉진 시키는 촉매는 반응물과 너무 강하지도, 너무 약하지도 않은 흡착에너지를 가질 때 최고의 촉매 활성을 나타낸다. 연구팀은 반응물인 수소이온에 대해 ‘0’에 가까운 흡착에너지를 가지는 거대원자입자를 설계·합성하였고, 그 결과 최고 수준의 촉매활성을 나타낸다는 사실을 실험적인 방법과 전산모사법을 통해 입증하였다. 이는 거대원자입자의 조성을 제어하여 반응물에 맞는 흡착에너지를 갖는 반응 맞춤형 촉매의 개발 가능성을 보여주는 최초의 연구결과다. 


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