신개념 촉매 나왔다… 백금 사용량 80분의 1로 줄여도 효과는 100배

2018.07.31 18:45
울산과학기술원 연구진은 질소-탄소나노튜브 위에 백금(흰색)을 미량 도포해 고효율 촉매를 개발했다. 울산과학기술원 제공.
울산과학기술원 연구진은 질소-탄소나노튜브 위에 백금(흰 부분)을 미량 도포해 고효율 촉매를 개발했다. 울산과학기술원 제공.

친환경 미래 에너지인 수소 생산과정에서 ‘촉매’는 빼 놓을 수 없는 중요한 물질이다. 촉매의 효율이 높아야  적은 비용으로 더 많은 수소를 생산할 수 있어서다. 가장 효율이 뛰어난 촉매 물질로 ‘백금’이 꼽히지만 가격이 워낙 비싸 주로 대체물질을 사용해왔다.

 

국내 연구진이 백금  사용량은 줄이고 효율은 높인 촉매 제조 기술을 새롭게 개발했다. 이를 수소생산에 적용할 경우 백금 사용량이 80분의 1로 줄면서 수소활성도는 100까지 높아져 수소에너지 실용화의 단초가 될 것으로 기대된다.

 

울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 화학과 김광수 특훈교수팀은 백금을 이용한 고효율, 친환경 수소촉매 제조기술을 새롭게 개발, 관련 연구성과를 에너지분야 국제 학술지인 ‘네이처 에너지’ 30일자에 발표했다.

 

수소는 공기 중에 있는 산소와 반응해 전기를 만들고 물만 배출하기 때문에 청정에너지로 꼽힌다. 그러나 수소 생산 과정에서 많은 전기가 필요한 점이 단점이다. 고효율 촉매기술이 있으면 전기사용량을 최대한 낮출 수 있지만 이같은 촉매를 찾기는 어려웠다. 지금까지는 실험적으로 백금을 주로 활용해 왔지만 가격이 비싼데다 매장량에도 한계가 있다.

 

UNUST 연구진은 질소(N)가 도입된 탄소나노튜브(CNT)에 극미량의 백금을 도포하는 방식으로 새로운 촉매 물질을 만들었다. 대나무 마디처럼 생긴 이 튜브는 내부에 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu) 금속 나노입자들을 섞어 넣었다. 이런 여러 성분들이 상호작용하면서 백금이 가진 특성을 높여 수소 발생 활성도가 크게 늘어났다.

 

연구진은 백금 원자 하나와 백금 나노뭉치가 있을 경우의 촉매 활성을 컴퓨터로 분석했다. 그 결과 백금 원자들이 백금 나노뭉치들과 섞였을 때 촉매 표면의 전도성이 증가해 수소 발생 효율이 훨씬 좋아진다는 새로운 과학적 현상을 처음으로 밝혀냈다.

 

하미란 UNIST 화공학과 박사과정 연구원은 “새로 개발된 촉매는 여러가지 물질이 상호작용하면서 백금이 가진 특성을 더욱 증강시킨다”고 설명했다.

 

연구진은 이번 결과가 수소 기반 에너지 산업의 걸림돌이었던 백금 촉매의 경제성과 효율성 문제를 해결할 실마리를 제시할 것으로 기대하고 있다.

 

김광수 교수는 “이번 연구를 통해 수소 생산 효율을 크게 높인 새 촉매를 개발한 것은 물론, 앞으로 고효율 촉매를 설계하는데 필요한 구체적인 방향도 제시했다”고 밝혔다.

 

새로운 촉매제조기술을 개발한 연구진의 모습. 울산과학기술원 제공.
새로운 촉매제조기술을 개발한 연구진의 모습. 울산과학기술원 제공.

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