에너지시스템학과

아주대 유성주 교수팀, 촉매 응집 막는 임계점 규명

백금 1g으로 기존 나노입자 82g에 해당하는 수소 생산

백금(Pt) 원자의 구조적 안정성에 따른 수소생산의 차이를 보여주는 개념도. Pt 원자 밀도가 임계치를 초과하면 원자이동과 응집이 촉진돼 덩어리를 형성하고 촉매 성능이 저하된다(왼쪽). 반면 공간적으로 충분히 분리된 Pt 원자는 뭉치지 않고 활성화된 전자와 효율적으로 반응해 빠른 수소생산을 촉진한다. 

값비싼 백금(Pt) 원자를 하나도 낭비하지 않고 모든 원자가 수소 생산반응에 참여토록하는 소재 활용의 극한 기술이 개발됐다.

한국연구재단은 아주대학교 유성주 교수팀이 수소 생산촉매의 성능을 결정짓는 백금 원자를 서로 뭉치지 않는 단일원자 상태 그대로 유지하는 기술을 개발해 소재 효율을 이론적 한계치까지 끌어올리는 데 성공했다고 7일 밝혔다. 

단일원자는 금속 입자를 더 이상 쪼갤 수 없는 단위며  단일원자 촉매는 원자 하나 수준으로 분산시켜 만든 촉매다.

나노입자 형태의 백금은 수소생산을 촉진하는 뛰어난 촉매 역할을 하지만 비싸며 입자 내부의 원자들이 화학반응에 직접 참여하지 않아 효율도 낮다.
 
백금을 원자 하나 수준으로 쪼개 넓게 펼치면 모든 원자가 표면에 노출돼 반응하기 때문에 효율을 극대화할 수 있으나 백금은 불안정한 원자상태를 견디지 못하고 다시 뭉치려는 강한 성질이 있어 수소생산 성능이 급격히 떨어지는 문제가 있다. 

이번에 연구팀은 실제반응 구동환경에서 백금 원자들이 서로 뭉치지 않고 최상의 성능을 유지할 수 있는 구조적 임계점을 찾아냈다.

백금 원자가 '하나씩 떨어져 있는 상태'를 유지할 수 있는 최대의 한계치인 구조적 임계점을 통해 연구팀은 원자가 뭉치는 것을 원천 차단하고 투입된 모든 백금이 100% 반응 표면에 노출되는 극한의 활용을 구현해 냈다.

검증에서 이 기술을 활용하면 1g의 백금만으로 기존 나노입자 82g에 해당하는 수소를 생산할 수 있는게 입증됐다. 최소한의 백금 사용으로 수소 생산 비용을 크게 절감할 수 있게 된 것이다.

또 이 기술은 복잡한 공정없이 비교적 간단한 합성으로 촉매 제조가 가능하고 장시간의 구동에도 성능 저하 없이 안정적인 수소 생산 효율을 유지할 수 있다. 

연구재단 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 'Angewandte Chemie(앙게반테 케미)'에 지난해 12월 17일 게재됐다.

유성주 교수는 "이번 성과는 촉매의 성능저하 원인을 원자수준에서 이해하고 본질적인 해결전략을 제시한 것"이라며 "고가의 귀금속 활용도를 극대화해 다양한 친환경 에너지공정의 비용을 낮추는 데 기여할 것"이라고 말했다. 

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기사 출처: 뉴시스(https://www.newsis.com/view/NISX20260107_0003468641)