(AI타임스=윤광제 기자) KAIST(총장 신성철) 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 전기화학적 물 분해(이하 수전해) 방식을 통해, 수소를 생산하는 과정에서 쓰이는 백금의 사용을 최소화하는 백금 기반 촉매를 개발했다.
이번에 개발된 촉매는 기존 기술보다 활용도가 16배 정도 뛰어난 성능을 보여 학계의 주목을 이끌고 있다.
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.
박진규 박사과정과 이성규 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 세계적 화학지인‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 8월 22일 자에 게재됐다. (논문명 : Investigation of Support Effect in Atomically Dispersed Pt on WO3-x for High Utilization of Pt in Hydrogen Evolution Reaction, 수소 생산 반응에서 백금 활용도를 높이기 위해 백금 유사-단일 원자 촉매를 담지한 텅스텐 산화물 지지체 효과 조사)
전기화학적 물분해 방식은 탄소 배출이 없어 친환경적 수소 생산 방식으로 여겨지고 있지만 수전해 시스템에 적용되는 백금 촉매의 높은 가격 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있었다.
단일 원자 촉매는 모든 원자들이 반응에 참여할 수 있다는 특징으로 인해 귀금속의 사용량을 현저히 줄일 수 있어 많은 연구진들의 관심을 가졌다.
단일 원자 촉매는 높은 표면자유에너지 때문에 쉽게 뭉치고 안정성이 떨어지는 문제점이 있는데, 이를 해결할 수 있는 방법이 단일 원자와 강한 결합을 할 수 있는 지지체 선정이다.
단일 원자 촉매의 활성에 영향을 줄 수 있는 것도 지지체이기 때문에, 단일 원자 촉매 분야에서 지지체의 선정은 무엇보다 중요하다. 하지만 대부분의 연구들이 탄소 기반 지지체에 국한돼 있었고, 백금의 활용도를 높이는 데 한계점이 있었다.
연구팀은 이번에 백금과 강한 시너지 효과를 낼 수 있는 메조 다공성 텅스텐 산화물을 단일 원자 촉매의 지지체로 사용했다. 이를 통해 백금 단일 원자를 텅스텐 산화물에 담지했을 때, 텅스텐 산화물에서 백금 단일 원자로 전하 이동이 일어나 백금의 전자구조가 변하는 것을 확인했다.
또한, 단일 원자 촉매가 갖는 ‘금속과 지지체간의 경계면 극대화’라는 독특한 특징을 활용해 백금 나노입자를 텅스텐 산화물에 담지한 촉매와 비교 실험을 진행했다.
연구팀은 실험을 통해 백금 표면에서 다른 지지체 표면으로 수소가 넘어가는 현상인 수소 스필오버 (Hydrogen spillover, 백금과 같은 금속 표면에서 다른 지지체 표면으로 수소가 넘어가는 현상)가 크게 발현됨을 확인했다. 이를 통해 기존 상용 백금 촉매의 사용량을 16분의 1로 현저히 줄일 수 있었다.
해당 연구는 수전해 뿐만 아니라 연료전지 기술과 같은 다양한 전기화학 촉매 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다고 연구팀은 밝혔다.
이 교수는 “이번에 개발한 촉매는 기존 단일 원자 촉매 연구와 다른 관점에서 접근한 연구로 학술적으로 이바지하는 바가 크다”라며 “이번 연구를 통해 단일 원자 촉매 개발의 독보적인 기술을 확보했다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 기후변화대응기술개발사업, 미래소재디스커버리사업의 지원을 통해 수행됐다.
【에이아이타임스 aitimes 에이아이타임즈】
무단전재 및 재배포 금지
기사제보 및 보도자료 news@aitimes.com