UNIST(총장 정무영)는 김광수 자연과학부 화학과 특훈교수 연구팀이 상용화된 백금 촉매보다 80배 적은 양의 백금만 사용하면서 수소 생성도는 100배 높이는 새로운 수소 생산 촉매를 개발했다고 31일 밝혔다.

수소는 공기중 산소와 반응해 전기를 만들고 물만 배출하는 청정 신재생에너지원으로 알려진다. 석탄이나 석유처럼 이산화탄소 같은 탄소화합물을 만들지 않아 지구 온난화와 대기오염 문제에서 자유롭다. 하지만 수소 생산기술이 비싸 아직 널리 쓰이지 못하는 상황이다.

현재 수소를 얻는 대표적 방법은 물(H₂O)을 전기로 분해해서 산소 기체(O₂)와 수소 기체(H₂)를 만드는 수전해 반응이다. 수전해 반응에 촉매가 필요한데 지금까지 백금을 주로 사용했다. 백금은 매장량에 한계가 있고 가격이 비싸 백금을 적게 쓰는 촉매 개발이나 다른 물질로 대체하려는 연구가 수소 에너지 분야 핵심이 되고 있다.

김광수 교수 연구팀인 티와리(Tiwari) 화학과 연구교수와 설탄(Sultan) 화학과 박사과정 연구원은 질소가 도입된 탄소 나노튜브에 극미량의 백금을 도포한 촉매를 개발했다. 대나무 마디처럼 생긴 이 튜브는 내부에 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu) 금속 나노입자들이 들어 있는데 이들 성분이 상호작용해 백금이 가진 특성을 높여 수소 발생 활성도가 증가된다.

하미란 화공학과 박사과정 연구원은 촉매 활성을 계산해 새로 개발된 촉매에서 여러 성분이 상호작용하면서 백금이 가진 특성을 더욱 증강 시키고, 수소를 붙잡아두려는 에너지가 거의 0에 가까워져 수소 기제를 만드는 효율이 더 높아진다는 것을 밝혔다.

이어 명창우 화학과 박사과정 연구원은 백금 원자 하나와 백금 나노뭉치가 있을 경우 촉매 활성을 모델링, 백금 원자들이 백금 나노뭉치들과 섞였을 때 촉매 표면의 전도성이 증가해 수소 발생 효율이 훨씬 좋아진다는 새로운 과학적 현상을 규명했다.

연구팀은 모델링에 의한 예측 결과를 토대로 촉매의 복잡한 표면 구조를 실험적으로 원자 수준에서 관측할 수 있게 됐다. 또 모델링의 정확성을 입증, 활성도가 개선되는 이유도 규명하게 됐다.

김광수 교수는 "이번 연구의 중요성은 수소 생산 효율을 크게 높인 새 촉매를 개발했다는 점"이라면서 "이 물질의 모델링과 해석을 통해 최상의 촉매를 설계하는 구체적인 방향도 제시하고 백금 촉매의 경제성과 효율성 문제를 해결할 실마리를 잡았다"고 연구 의의를 설명했다.

한편 연구결과는 에너지분야 학술지 '네이처 에너지' 7월 30일자 온라인판에 발표됐다.