KAIST, 수소생산용 백금 사용량 16분의 1로 줄여주는 촉매 개발

KAIST는 이 대학 이진우 생명화학공학과 교수팀이 수소 생산 과정에 사용되는 백금 사용량을 최소화하면서 활용도를 16배나 높여주는 백금 기반 촉매를 개발했다고 3일 발표했다. 여기에는 전기화학적 물분해 방식이 사용됐는데 이는 탄소를 배출하지 않아 친환경적 수소 생산 방식으로 여겨지고 있다.

연구팀은 백금촉매 활용도를 높이기 위해 백금을 단일원자 형태로 텅스텐 산화물 표면에 고분산 시켜 백금이 받는 지지체 효과를 극대화하는 한편 수소 생산 수전해 촉매 방식을 사용함으로써 높은 성능을 구현했다고 밝혔다.
이 실험에서 연구팀은 백금 표면에서 다른 지지체 표면으로 수소가 넘어가는 현상인 수소 스필오버(Hydrogen spillover)가 크게 발현됨을 확인했다. 이를 통해 기존 상용 백금 촉매의 사용량을 16분의 1로 현저히 줄일 수 있었다.

이 연구는 수전해 뿐만 아니라 연료전지 기술과 같은 다양한 전기화학 촉매 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다고 연구팀은 밝혔다.

백금 기반 촉매들은 성능과 안정성이 높아 다양한 전기화학 촉매 분야에서 활용됐지만, 가격이 높아 상용화에 어려움을 겪어 왔다. 그러나 이 연구성과로 개발된 단일 원자 촉매는 금속의 원자 하나가 지지체에 고분산된 형태의 촉매로, 모든 금속 단일 원자가 반응에 참여하기 때문에 백금의 사용량을 현저히 낮출 수 있다.

연구팀은 백금과 강한 시너지 효과를 낼 수 있는 메조 다공성 텅스텐 산화물을 단일 원자 촉매의 지지체로 사용했다. 이를 통해 백금 단일 원자를 텅스텐 산화물에 담지했을 때, 텅스텐 산화물에서 백금 단일 원자로 전하 이동이 일어나 백금의 전자구조가 변하는 것을 확인했다. 또한, 단일 원자 촉매가 갖는 ‘금속과 지지체간의 경계면 극대화’라는 독특한 특징을 활용해 백금 나노입자를 텅스텐 산화물에 담지한 촉매와 비교 실험을 진행했다.

이 교수는 “이번에 개발한 촉매는 기존 단일 원자 촉매 연구와 다른 관점에서 접근한 연구로 학술적으로 이바지하는 바가 크다”며 “이번 연구를 통해 단일 원자 촉매 개발의 독보적인 기술을 확보했다”고 말했다.

박진규 박사과정과 이성규 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 세계적 화학지인‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 8월 22일 자에 게재됐다. 논문명은 ‘수소 생산 반응에서 백금 활용도를 높이기 위해 백금 유사-단일 원자 촉매를 담지한 텅스텐 산화물 지지체 효과 조사( Investigation of Support Effect in Atomically Dispersed Pt on WO3-x for High Utilization of Pt in Hydrogen Evolution Reaction)다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 기후변화대응기술개발사업, 미래소재디스커버리사업의 지원을 통해 수행됐다.


이재구 글로벌이코노믹 기자 jklee@g-enews.com