태양에너지를 사용해 친환경적인 고성능 원자 분산 촉매를 합성할 수 있는 새로운 기술이 제시됐다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수)은 이병훈 고려대 KU-KIST 융합대학원 조교수(前 IBS 나노입자 연구단 연구원), 김민호 경희대 교수팀과 공동으로 1g의 촉매로 시간당 3.7ℓ의 수소를 생산할 수 있는 세계 최고 효율의 촉매기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

이 촉매를 폐플라스틱 광(光) 개질 반응에 적용하면 98%의 플라스틱이 수소로 전환된다.

백금(Pt)을 비롯한 귀금속계 촉매는 고성능을 갖지만 비싼 가격으로 경제성이 떨어지고 반응조건에 따라 금속원자들이 구조적으로 불안정해지는 단점이 있다.

반면, 모든 백금원자가 반응에 참여하면 촉매의 활용도가 극대화돼 적은 양의 귀금속을 사용하고도 좋은 성능을 확보할 수 있다. 이에 따라 원자 하나하나가 모두 개별적으로 분산된 원자 분산 촉매가 각광 받고 있다.

원자 분산 촉매는 지지체의 표면에 금속원자를 고정한 형태다. 기존 합성법은 고온·고압의 조건이나 복잡한 합성과정이 필요했다.

이찬우 IBS 나노입자연구단 연구원은 "기존에는 금속원자가 부착될 결합자리를 만들기 위해 지지체부터 설계·합성하고 이후 금속원자를 고정하는 '바텀업 합성법'을 사용해왔다"며 "이 방식은 원자 분산 촉매로 만들 수 있는 금속원자 및 지지체의 종류가 한정적이라는 단점이 있었다"고 설명했다.

이번에 연구진은 이산화티타늄(TiO2)처럼 쉽게 구할 수 있는 상용 산화물을 지지체로 활용하고 별도의 전기에너지나 열에너지 투입없이 태양 빛만을 이용해 상온에서 원자 분산 촉매를 합성하는 방법을 개발했다.

연구진은 산화물에 태양 빛을 조사해 산화물 내부에 산소가 빠져나가면서 생기는 일종의 구멍(산소 결함)을 표면으로 이동시켰다. 이어 표면에 노출된 산소 결함을 금속의 결합 자리로 이용, 금속 촉매들을 지지체의 표면에 균일하게 결합시켰다.

연구진이 빛을 이용해 수소를 발생시키는 반응에서 새롭게 합성한 원자 분산 백금-이산화티타늄 촉매의 성능을 평가한 결과, 1g의 촉매를 사용했을 때 1시간에 3.7ℓ의 수소를 발생시켰다. 이는 세계 최고 효율이다.

또 플라스틱을 수산화칼륨(KOH) 용액에 녹인 뒤 촉매를 투입한 결과, 개발된 촉매는 40시간 동안 98%의 폐플라스틱을 수소로 전환하는 성능을 나타냈다. 기존 가장 성능이 우수하다고 보고된 촉매보다 10배 이상 높은 성능이다.

이번 연구 결과는 6일 새벽 1시(한국시간) 국제학술지 '네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF 41.2)' 온라인판에 실렸다.(논문명:Photochemical tuning of dynamic defects for high-performance atomically dispersed catalysts)

공동 교신저자인 이병훈 조교수는 "태양에너지를 사용해 친환경적으로 고성능 원자 분산 촉매를 합성할 수 있는 새로운 합성법을 제시한 성과"라며 "이 합성법은 여러 종류의 금속 촉매와 산화물에 범용적으로 적용 가능하다는 장점이 있다"고 말했다.

현택환 단장은 "사용하는 지지체 및 금속 촉매의 종류에 따라 광촉매, 열촉매 등으로 다양하게 합성할 수 있어 화학산업 비용을 크게 낮출 수 있을 것"이라며 "쉽고 빠르게 촉매를 합성할 수 있는 만큼 산업적 규모로의 확장이 용이할 것으로 기대한다"고 밝혔다.