탄소 중립 사회에서 핵심 청정 에너지원으로 주목받는 수소의 생산 효율을 늘리고 비용은 낮추는 차세대 촉매기술이 우리나라 연구진이 포함된 국제공동 연구진에 의해 개발됐다.

과학기술정보통신부는 박정원 서울대 화학생물공학부 교수 연구팀과 토마스 F. 하라미요, 마테오 카그넬로 미국 스탠포드 화학공학부 교수 연구팀이 수소 생산 촉매로 사용되는 고비용 귀금속인 백금의 사용량을 기존 상용 촉매 대비 10분의 1 수준으로 줄이고 세계 최고 수준의 수소 생산 성능을 구현할 수 있는 차세대 촉매기술 개발에 성공했다고 29일 밝혔다.

과기정통부 '탑-티어 연구기관 간 협력플랫폼 구축 및 공동연구 지원' 사업에 참여 중인 서울대-스탠포드 연구진은 이산화탄소 포집·전환과 수소 저장·활용을 주제로 국제공동연구를 수행 중이다.

공동연구팀 간 협력 시너지를 보여주는 이번 연구 성과는 국제학술지 '사이언스'에 게재됐다.

수소는 탄소 중립 사회로의 전환을 이끌 핵심 청정 에너지원으로 주목받고 있지만 대용량 수소를 장거리 운송할 때 기존의 고압가스, 액화수소 방식은 안정성과 비용 측면에서 한계가 있다.

이에 액체 연료처럼 다룰 수 있는 액상유기수소운반체(LOHC) 기술이 유망한 대안으로 떠오르고 있지만 이 기술은 운반된 액상 물질에서 다시 수소를 추출하는 과정 중에 값비싼 귀금속(백금) 촉매가 필수적이라는 문제가 있다.

공동 연구팀은 백금 원자 주변의 화학물질(리간드)를 제거하고, 백금 원자를 지지체(촉매 기반물질)에 직접 결합하는 새로운 촉매합성 전략을 도입했다.

백금 원자가 지지체 위에서 가장 안정한 위치를 찾도록 유도하고, 수소 처리 과정을 거쳐, 머리카락 굵기의 10만분의 1크기(약 1나노미터)에 해당하는 백금 원자 뭉치(클러스터) 촉매를 균일하게 만드는 데 성공했다. 이 촉매는 수소 추출 과정에서 백금 원자의 사용효율을 높이고, 지지체 위에 단단히 고정하여 뛰어난 내구성을 발휘한다.

연구팀은 새로 개발한 전자현미경 분석법을 통해, 겉보기에 거의 동일한 크기의 백금 원자 뭉치라도 구성 원자 수가 13개에서 31개까지 다를 수 있음을 세계 최초로 밝혀냈다. 기존에는 비슷한 크기의 촉매 입자는 같은 성능을 가진다고 여겨졌으나, 이번 연구를 통해 '원자 개수'가 촉매의 수소생산 성능과 내구성을 결정하는 핵심 요인임을 입증했다.

이 과정에서 서울대 연구진은 촉매 제조부터 구조 규명, 반응 성능 검증 등의 실험을 통해 핵심 연구결과를 확보했다. 스탠포드 연구진은 나노소재 및 원자 수준 현상해석 전문성을 바탕으로, 백금 원자 개수와 수소 생산 효율의 관계(흡착특성)를 계산하는 역할을 맡았다. 양 기관은, 실험 결과와 계산 기반의 결과 해석을 상호보완적으로 연결해 이번 성과를 창출해 냈다.

개발된 촉매를 액체 상태 화합물에서 수소를 뽑아내는 반응에 적용한 결과, 시중 기존 촉매보다 백금 사용량이 10분의 1로 대폭 줄면서도, 수소 생산량과 촉매의 수명(내구성)은 오히려 향상됐다. 또한 이 합성법은 실험실 규모에서 수십 그램 단위의 대량 합성이 단일 공정으로 가능해, 향후 친환경 수소 사회를 앞당길 경제적·산업화 가능성까지 함께 확인했다.

박정원 교수는 "해당 합성법은 대량 합성으로 확장될 가능성이 열려 있어, 학계의 기초 연구와 산업적 응용을 직접 연결할 수 있는 촉매 플랫폼이 될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

yjra@news1.kr