이동일 교수팀, 세계 최고 수준의 수소 발생 촉매 개발 

거대원자입자에 기반한 맞춤형 촉매 기술 제시 

이동일 교수

이동일 교수(화학과) 연구팀이 원자 단위로 제어된 거대원자입자(Superatomic Particle) 제조 기술을 이용하여 세계 최고 성능의 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction) 촉매를 개발했다. 

거대원자입자는 최대 수백 개의 금속 원자로 이루어진 매우 작은 크기의 나노입자다. 입자의 전·자기적, 광학적, 전기화학적 특성이 구성 원소의 종류, 개수, 조성, 구조 등에 따라 매우 민감하게 변화하는 원자 수준에서 특성 제어가 가능한 새로운 형태의 기능 소재다. 

수소 에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 나아가 물을 분해하여 수소를 효과적으로 발생시키고자 하는 촉매의 개발이 지난 수년간 많은 주목을 받아왔다. 수소 발생 촉매로는 귀금속인 백금이 주로 사용되고 있으나, 소재의 높은 가격과 낮은 안정성이 문제시 되어 왔다. 이를 극복하기 위해 많은 촉매 개발 연구가 진행되고 있지만, 촉매의 복잡한 구조 및 합성과정, 그리고 반응에 필요한 높은 과전압과 낮은 수소 발생 효율의 문제로 실용화는 요원한 실정이다. 이 교수 연구팀은 거대원자입자가 갖는 조절성에 주목함으로써, 기존 촉매 개발의 한계를 극복할 수 있는 신개념 촉매 기술을 제시했다. 

연구팀은 금으로 구성된 거대원자입자의 중심 금 원자 하나를 백금 원자로 치환하여 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 발생량을 나타낸다. 이 결과는 새롭게 설계·제조된 거대원자입자 촉매가 기존의 촉매 시스템보다 성능이 우수함을 입증한 것이며, 현재까지 보고된 모든 수소 발 생 촉매 중 최고 수준의 성능이다. 

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

이 교수는 “새롭게 개발한 합금 거대원자입자 촉매 시스템을 통해 수소 에너지 상용화에 한 단계 접근할 수 있을 것으로 기대된다.”며 “이 번 연구에서 개발한 거대원자입자 제어 기술은 수소 발생 반응 외에도 다양한 에너지 및 환경 관련 분야의 맞춤형 촉매 개발에 응용될 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다. 

미래창조과학부의 Korea CCS 2020사업의 지원을 받아 수행된 본 연구 결과는 세계적인 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판에 지난 3월 10일에 게재됐다. 이번 연구에서 이 교수 연구팀의 곽 규주 박사(공동 제1저자)가 거대원자입자의 합성과 전기화학특성 연구를, 같은 연구팀의 최우준 연구원(공동 제1저자)이 촉매활성평가 연구를 수행했다. 또한, 미국 캘리포니아 주립대 화학과 데엔 지앙 교수 연구팀이 촉매반응에 대한 전산모사 연구를 수행했다.