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IBS 나노입자연구단, 23일 네이처 머터리얼스 게재 물과 메탄올을 섞은 반응물에 개발된 '단원자 구리/이산화티타늄 촉매'를 넣고 빛을 가하면 수소가 생성된다. 사진 속 기포는 수소가 활발히 생성되고 있음을 보여준다.(IBS 제공)© 뉴스1
(서울=뉴스1) 최소망 기자 = 국내 연구진이 물에 빛을 쪼여 수소를 분해할 수 있는 '광(光)촉매'의 효율을 33배나 높인 새로운 촉매를 개발했다. 기존 기술보다 뛰어난 수소 생산율을 보이면서도 가격은 보다 저렴하고 분해과정도 환경에 유해하지 않아, 차세대 에너지원으로 꼽히는 수소를 안정적으로 공급하는 데 활용될 수 있을 전망이다.
과학기술정보통신부는 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연단장 연구팀·남기태 서울대 재료공학부 교수 연구팀이 효소와 유사한 불균일촉매인 '단원자 구리·이산화티타늄 촉매'를 세계 최초로 개발했다고 23일 밝혔다.
이 촉매를 물에 넣고 빛을 쪼이면 기존 촉매보다 빛 에너지의 40% 이상을 수소전환 반응에 사용한다. 이는 기존 순수 이산화티타늄보다 33배 향상된 수소 생산 능력이다.
특히 새로 개발한 촉매는 값싼 구리와 티타늄을 사용하기 때문에 원재료 비용은 거의 들지 않을만큼 저렴하면서도 기존에 값비싼 백금과 이산화티타늄 광촉매를 사용했을때보다 1.5배 뛰어난 성능을 보인다.
이처럼 효율이 높고 저렴한 촉매를 연구진이 만들 수 있었던 이유는 '균일촉매'와 '불균일촉매'의 장점만을 취합해 새로운 촉매를 만들었기 때문이다.
균일촉매는 촉매·반응물·생성물이 모두 다 용매에 녹아있어 효율이 높으나 생산단가가 비싸고, 재활용이 어려워 친환경적이지 못하다는 단점이 있다. 반면 고체형태의 불균일촉매는 생산비용이 싸고 재활용이 가능하지만 효율이 낮다는 한계가 있다.
연구진은 이의 장점만 결합하기 위해 생명체 속 '효소'(enzyme)의 작동원리를 적용해 분자구조로 변환해 촉매를 구성했다.
효소는 수천만년에 걸쳐 자연적으로 발전한 촉매로, 생체 내에서 산화와 환원 반응을 통해 주변 단백질과 전자를 주고 받으며 상호작용한다. 이때 자신의 구조를 유연하게 바꾸면서 특정 단백질에 선택적으로 반응해 높은 효율을 보이는 특징이 있다.
연구진이 개발한 촉매는 효소의 구조 원리와 유사하게 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자 위에 구리(Cu) 원자 한 개를 올린 형태다. 이론연구를 통해 구리원자를 올렸을 때 열역학적으로 가장 안정적인 상태를 유지할 수 있는 위치를 확인했고, 이어 해당 위치에 구리 단원자를 올려 '단원자 구리·이산화티타늄 나노촉매'를 제조했다.
단원자 촉매는 원자 하나하나가 모두 촉매반응에 참여해 기존 덩어리 촉매보다 가격 대비 촉매 효율성이 수십 배 이상 높다. 또 연구진은 개발된 촉매가 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것도 확인했다.
현재 수소 생산 규모는 실험실에서 생산하는 수준에 그친다. 1시간동안 촉매 1g당 수소 30mg을 생산할 수 있는 수준이다. 수소자동차의 경우 약 5kg 정도의 수소가 공급돼야 실제 운행이 가능하다는 점을 감안했을 때, 현재 실험실에서 제작하는 수준인 촉매를 산업에 적용하고 상용화 할 수 있을만큼 확대하려면 촉매 기술 뿐만 아니라 수소를 저장하고, 이동시킬 수 있는 기술이 동반개발 돼야 한다는 것이 연구진의 설명이다.
현택환 단장은 "가장 이상적인 촉매인 효소와 유사하게 작동하는 불균일촉매를 세계 최초로 개발하고, 불균일촉매의 가장 큰 단점인 낮은 효율 문제를 해결했다는데 큰 의미가 있다"고 말했다..
이번 연구 성과는 23일 '네이처 머터리얼스'(Nature Materials) 온라인판에 실렸다.
 현택환 IBS 나노입자연구단 연구단장과 남기태 서울대 재료공학부 교수가 물에 빛을 쪼여 수소를 만들어 낼 수 있는 '단원자 구리/이산화티타늄 촉매'에 대해 브리핑을 하고 있다© 뉴스1
somangchoi@news1.kr
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[머니투데이 류준영 기자] [IBS 연구진, 효소의 작동원리 닮은 재활용 가능 고체촉매 개발 ]
 개발된 촉매를 이용해 수소를 생산하는 모습
개발한 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 수소 생산 반응에 적용했다. 물과 메탄올을 섞은 반응물에 개발된 촉매를 넣고 빛을 가하면 수소가 생성된다. 연구진이 개발한 촉매는 기존 촉매 대비 수소생산 효율을 33배나 높였다. 사진 속 기포는 수소가 활발히 생성되고 있음을 보여준다/사진=IBS
생명체가 제한된 식량에서 풍부한 에너지를 얻을 수 있는 원동력은 효소다. 생체촉매인 효소는 수천만 년에 걸쳐 점점 더 효율적으로 에너지를 전환하도록 발전해 왔다. 에너지 산업에서도 ‘저비용 고효율’ 발전을 위해 효소의 작동원리를 닮은 저렴한 촉매가 필요했다.
기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수) 연구팀, 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈 제어소재 연구단 단장(서울대 교수) 연구팀, 김형준 카이스트(KAIST) 교수팀으로 이뤄진 공동연구팀이 효소와 유사한 '불균일촉매'를 세계 최초로 개발했다고 23일 밝혔다. 수소 생산 효율을 기존보다 50% 이상 높일 수 있는 새로운 광촉매이다.
연구진에 따르면 우리 몸의 효소와 작동원리가 유사한 불균일촉매를 개발하고, 효율이 높은 균일촉매와 저렴하고 재활용 가능한 불균일촉매의 장점만을 결합한 새로운 촉매를 제조했다.
연구진은 “현재 많이 사용되는 균일촉매는 효율이 높지만 재활용이 어려워 환경 친화적이지 않고, 불균일촉매는 재활용이 가능하고 저렴하지만, 효율이 낮다는 문제가 있었다”며 “균일촉매와 불균일촉매의 장점만을 결합한 새로운 촉매를 개발하기 위해 효소의 작동원리를 모방한 불균일촉매 개발한 것”이라고 설명했다.
균일촉매는 촉매가 반응물 및 생성물과 동일한 상(相)을 가질 때를 말한다. 촉매와 반응물, 생성물이 모두 다 용매에 녹아있다. 반면 불균일촉매는 반응물과 생성물이 기체나 액체상태인 것과 달리 고체상태로 상이 다르다.
효소는 주변 단백질과의 상호작용을 통해 자신의 모습을 바꿔 활성점을 만들고, 이 활성점을 중심으로 특정 물질과만 선택적으로 높은 효율로 반응한다. 연구진은 이에 착안, 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 니노입자 위에 구리 단원자를 올려서, 효소처럼 작동하는 단원자 구리·이산화티타늄 촉매를 개발했다.
 단원자 구리/이산화티타늄 촉매 설계 과정
연구진은 이산화티타늄 광촉매 위에 구리 단원자를 가장 안정적으로 올릴 수 있는 위치를 이론적으로 파악했다. 이후 이산화티타늄 층에 구리를 얹고, 열적으로 안정한 이산화실리콘으로 감싼 뒤 고온에서 열처리해 촉매를 완성했다/사진=IBS
연구진은 개발된 단원자 구리·이산화티타늄 촉매에 빛을 가하면, 이산화티타늄과 구리가 전자를 주고받는 상호작용을 하고, 이 과정에서 구리가 이산화티타늄의 구조를 가역적으로 바꾼다는 것을 확인했다. 이는 가역적인 변화로, 촉매반응이 끝나면 이산화티타늄은 본래의 모습으로 돌아온다. 구리 단원자는 의사소통의 매개체이자 촉매의 효율을 더 높이는 역할을 한다. 각각의 단원자는 모두 촉매로 작용하기 때문에 기존 덩어리 형태(벌크)의 촉매에 비해 효율성이 높아진다.
이후 연구진은 개발한 촉매를 광합성 수소 생산 반응에 적용했다. 물과 메탄올을 이용해 수소를 생산하는 반응에서 새로운 촉매는 가해진 빛 에너지의 40% 이상을 수소 전환에 사용하는 뛰어난 생산 효능을 보였다. 이는 지금까지 가장 효율이 좋은 값비싼 백금·이산화티타늄 광촉매와 비슷한 효율임을 보여준 것이다.
값비싼 백금 대신 구리를 사용해 경제적인 동시에 반응에 쓰인 불균일촉매는 다시 회수해 오랫동안 안정적으로 재활용할 수 있는 만큼 폐촉매가 발생하지 않아 친환경적이라는 장점도 있다.
이번 연구는 불균일촉매의 가장 큰 단점인 낮은 효율 문제를 해결했다는 데 큰 의미가 있다. 향후 수소생산은 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학공정에서도 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다.
현택환 단장은 “개발된 촉매를 물을 햇빛으로 수소로 생산하는 광촉매반응에 적용하면 상온·상압에서도 안정적이고, 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있게 됐다”고 말했다.
이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스’ 온라인판에 게재됐다.
류준영 기자 joon@
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