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심아희 
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몸속 효소 원리 모방한 광촉매 제작…수소생산효율 50% 향상
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        IBS "상온·상압에서 작용…시간당 수소 생산량 기존 촉매의 33배"

(서울=연합뉴스) 신선미 기자 = 친환경 에너지원으로 주목받는 수소를 생산하는 데 필요한 광(光)촉매의 효율을 획기적으로 높이는 기술이 개발됐다.

    광촉매는 빛을 받아 화학반응을 매개하는 물질이다. 기존 광촉매인 이산화티타늄(TiO₂) 위에 구리 단원자를 올린 새 촉매는 지금껏 학계에 보고된 촉매 중 최고 성능을 보이는 '백금-이산화티타늄 광촉매'와 비슷한 효율을 보였다.

    현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단장(서울대 석좌교수)팀은 남기태 서울대 교수, 김형준 카이스트 교수 연구팀과 함께 이런 연구 성과를 23일 국제학술지 '네이처 머티리얼스'(Nature Materials)에 발표했다.

    연구진은 광촉매 효율을 높이기 위해, 몸속에서 화학반응을 이어주는 '효소'(enzyme)의 작동 원리에 주목했다. 효소는 화학반응을 매개할 때 반응을 촉진하는 '활성점'이 나오도록 구조를 바꾼다. 이 때문에 반응물질과 선택적으로 결합할 수 있어 반응 효율이 높고 반복 사용도 가능하다.

    연구진은 광촉매인 이산화티타늄(TiO₂) 위에 구리 단원자를 올려 구리 원자가 효소의 활성점 기능을 하게 했다. 새 촉매는 빛을 받으면 구성 원자들끼리 전자를 주고받아 구조를 바꾸면서 화학반응을 매개했다. 반응할 때 구조를 변경했다가 다시 원구조를 되찾는다는 점이 효소와 유사하다.

구리-이산화티타늄 촉매 설계 과정(서울=연합뉴스) = 연구진은 이산화티타늄 광촉매 위에 구리 원자를 가장 안정적으로 올릴 수 있는 위치를 이론적으로 파악했다. 이후 이산화티타늄 층에 구리를 얹고, 열적으로 안정한 이산화실리콘으로 감싼 뒤 고온에서 열처리해 촉매를 완성했다. 2019.4.23 [과학기술정보통신부 제공]

    연구진은 개발한 촉매를 물과 메탄올을 섞은 용액에 넣어 수소를 발생시키는 방법으로 촉매 활성도 측정했다. 반응은 상온과 상압에서 진행됐으며 쪼여준 빛은 태양광을 모사한 것으로 자외선뿐 아니라 가시광선도 포함돼 있다.

    촉매는 수소를 생산할 때 빛 에너지의 40% 이상을 수소 전환에 썼다. 기존 이산화티타늄 광촉매는 빛 에너지의 30% 정도를 이용한다. 또 새 촉매는 이산화티타늄 광촉매보다 시간당 33배 더 많은 수소를 생산해냈다.

    이는 지금껏 학계에 보고된 촉매 중 최고 성능을 보이는 '백금-이산화티타늄 광촉매'와 유사한 수준이라고 연구진은 설명했다.

    남기태 교수는 "촉매 원재료 구매에는 그리 비용이 들지 않는다"며 "앞으로 다가올 수소 경제 시대에 새 촉매가 기여했으면 좋겠다"고 기대를 나타냈다.

IBS 연구진이 개발한 촉매를 이용해 수소를 생산하는 모습(서울=연합뉴스) = 구리-이산화티타늄 촉매를 수소 생산 반응에 적용한 모습. 물과 메탄올을 섞은 용액에 촉매를 넣고 빛을 가하면 수소가 나온다. 2019.4.23 [과학기술정보통신부 제공]

    이산화티타늄에 붙은 구리는 회수해 재활용할 수 있는 만큼, 산업 폐기물이 발생하지 않는 것도 새 촉매의 장점이다. 현재 산업 촉매의 대부분은 수명을 다하면 폐기돼 매립되고, 이 과정에서 2차 오염을 유발해 문제가 됐다.

    현택환 단장은 "상온·상압에서 안정적으로 수소를 제조할 수 있는 출발점이 될 것으로 본다"고 연구의 의의를 밝혔다.

연구진의 모습(왼쪽부터) 현택환 IBS 나노입자 연구단 단장(공동 교신저자), 이병훈 IBS 나노입자 연구단 연구원(공동 제1저자), 박승학 서울대 연구원(공동 제1저자), 남기태 서울대 교수(공동 교신저자) [과학기술정보통신부 제공]

    sun@yna.co.kr

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        IBS 나노입자연구단, 23일 네이처 머터리얼스 게재물과 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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