KAIST, 수소 생산에 쓰이는 백금 사용량 줄이는 촉매 개발

유사 단일원자 촉매의 수소생산반응 모식도(KAIST 제공)© 뉴스1

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 = KAIST(총장 신성철)는 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 전기화학적 물 분해(이하 수전해) 방식을 통해 수소를 생산하는 과정에서 쓰이는 백금의 사용을 최소화하면서 뛰어난 성능을 보여 활용도를 16배 높일 수 있는 백금 기반 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.

연구팀은 백금의 활용도를 높이기 위해 백금을 단일원자 형태로 텅스텐 산화물 표면에 고분산 시켜 백금이 받는 지지체 효과를 극대화했고, 수소 생산 수전해 촉매에서 높은 성능을 구현했다.

백금 기반 촉매들은 성능과 안정성이 높아 다양한 전기화학 촉매 분야에서 활용되지만 가격이 비싸 상용화에 어려움이 있었다.

단일 원자 촉매는 금속의 원자 하나가 지지체에 고분산된 형태의 촉매로, 모든 금속 단일 원자가 반응에 참여하기 때문에 백금의 사용량을 현저히 낮출 수 있다.

하지만 대부분의 연구가 탄소 기반 지지체에 담지된 단일 원자 촉매를 적용하고 있어 백금 활용성에 한계가 있다.

이에 연구팀은 이번에 백금과 강한 시너지 효과를 낼 수 있는 메조 다공성 텅스텐 산화물을 단일 원자 촉매의 지지체로 사용했다.

이를 통해 텅스텐 산화물에서 백금 단일 원자로 전하 이동이 일어나 백금의 전자구조가 변하는 것을 확인했다.

또 단일 원자 촉매가 갖는 ‘금속과 지지체간의 경계면 극대화’라는 독특한 특징을 활용해 백금 나노입자를 텅스텐 산화물에 담지한 촉매와 비교 실험을 진행했다.

그 결과 백금 표면에서 다른 지지체 표면으로 수소가 넘어가는 현상인 수소 스필오버 (Hydrogen spillover)가 크게 발현됨을 확인했다. 이를 통해 기존 상용 백금 촉매의 사용량을 16분의 1로 현저히 줄일 수 있었다.

이진우 교수(KAIST 제공)© 뉴스1

이진우 교수는 “개발한 촉매는 기존 단일 원자 촉매 연구와 다른 관점에서 접근한 연구에서 학술적으로 이바지하는 바가 크다”며 “이번 연구를 통해 단일 원자 촉매 개발의 독보적인 기술을 확보했다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 기후변화대응기술개발사업, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.

KAIST 박진규 박사과정과 이성규 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구성과는 세계적 화학지인‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’에 지난 8월 22일 게재됐다.

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