물에서 수소를 추출하는 과정에서 생산 효율을 대폭 끌어올리는 촉매가 한국 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다. 효율이 향상됐지만 생산단가는 획기적으로 낮아지고, 반응 이후 폐기물도 발생하지 않아 친환경적인 만큼 산업현장에 큰 변화를 가져올 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 현택환(사진) 단장 연구팀은 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈 제어소재 연구단장, 김형준 KAIST 교수팀과 공동으로 수소 분해 효율을 끌어올릴 수 있는 새로운 광촉매를 개발했다고 22일 밝혔다. 이번 연구는 재료 분야 최고 권위 학술지인 네이처 머터리얼스 온라인판에 개재됐다.

기존에는 물에서 수소를 생산하는 과정에서 광촉매 중 이산화티타늄(TiO₂)을 주(主)촉매로 썼다. 여기에서 생산 효율을 더욱 끌어올리기 위해 조(助)촉매로 백금(Pt)을 썼는데, 백금은 가격이 비싸다는 단점이 있다.

연구진이 개발한 촉매는 이산화티타늄 나노입자 위에 구리 원자 하나를 올린 형태다. 조촉매로 백금 대신 구리를 쓴 것이다. 연구진은 사전 이론연구 과정에서 열역학적으로 가장 안정적인 상태를 유지할 수 있는 구리·이산화티타늄 나노촉매를 제조했다.

촉매는 크게 균일촉매와 불균일촉매로 나뉜다. 균일촉매는 효율이 높지만 단가가 매우 높은 반면 불균일촉매는 저렴하지만 효율이 낮다. 연구진은 균일촉매와 불균일촉매의 장점을 결합하기 위해 자연적으로 발전한 생체효소의 모습을 닮은 불균일촉매를 세계 최초로 개발했다.

새로 개발된 촉매는 주촉매인 이산화티타늄만을 촉매로 쓸 때에 비해서는 33배, 이산화티타늄에 조촉매인 백금을 함께 쓸 때에 비해서는 50% 이상 효율이 높다. 지금까지 가장 효율이 좋은 백금·이산화티타늄 촉매의 효율에 근접한 수준이다.

조촉매가 백금에서 구리로 바뀐 만큼 원료의 단가가 대폭 낮아졌고, 수명이 다한 촉매를 재활용할 수도 있어서 친환경성도 높일 수 있게 됐다. 일반적으로 화학반응에 쓰이는 촉매들은 수명이 다하면 폐기돼 땅에 매립되고 2차오염을 유발하기도 한다.

이번 촉매가 상용화되기 위해서는 이전 과정인 채광 과정에서의 효율을 높이는 부분이나 이후 과정에서 수소를 고압화하는 등 여러 공정에서 추가 기술 및 장비가 뒷받침돼야 한다. 이 과정에서 원천 기술의 효율을 얼마나 유지할 수 있을지가 관건이 될 전망이다.

현택환 단장은 “이번 연구는 불균일촉매의 가장 큰 단점이 낮은 효율 문제를 해결할 실마리를 제시한 것에 의미가 있다”며 “새로운 촉매는 상온·상압에서도 높은 효율을 보이는 만큼 산업현장에서 폭넓게 쓰일 것으로 기대된다”고 밝혔다.

외신