물로 수소 만드는 광촉매 효율 50% 이상 높였다

IBS 연구진, 효소의 작동원리 닮은 재활용 가능 고체촉매 개발

개발된 촉매를 이용해 수소를 생산하는 모습

[아시아경제 김철현 기자] 국내 연구진이 물로 수소를 만드는 친환경 광촉매 효율을 50% 이상 높이는 기술을 개발했다. 높은 효율, 낮은 가격, 친환경성이라는 세 마리 토끼를 모두 잡은 기술로 향후 수소생산은 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학공정에서도 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS)은 나노입자 연구단 현택환 단장 연구팀이 남기태 서울대 교수, 김형준 카이스트 교수팀과 공동으로 효소와 유사한 불균일촉매를 세계 최초로 개발해 수소 생산 효율을 기존보다 50% 이상 높일 수 있는 새로운 광촉매를 만들었다고 23일 밝혔다. 이번 연구 성과는 재료분야 최고 권위의 학술지 네이처 머터리얼스 온라인판에 이날 게재됐다.

연구진은 세계 최초로 우리 몸의 효소와 작동원리가 유사한 불균일촉매를 개발하고, 효율이 높은 균일촉매와 저렴하고 재활용 가능한 불균일촉매의 장점만을 결합한 새로운 촉매를 제조했다. 촉매가 반응물 및 생성물과 동일한 상을 가질 때를 균일촉매라고 하는데 이때 촉매, 반응물, 생성물은 모두 다 용매에 녹아 있다. 반면 불균일촉매는 반응물과 생성물이 기체나 액체상태인 것과 달리 고체상태로 상이 다르다.

연구팀은 광촉매인 이산화티타늄 나노입자 위에 구리 원자를 올려서 효소처럼 작동하는 단원자 구리·이산화티타늄 촉매를 개발했다. 이어 개발된 촉매가 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 상호 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것을 밝혀냈다. 또 개발된 촉매를 물로 수소를 생산하는 반응에 적용해보니 전달 받은 햇빛의 40% 이상을 수소전환 반응에 사용하는 뛰어난 수소생산 성능을 보였다. 이는 기존에 가장 우수하면서도 값비싼 백금·이산화티타늄 광촉매와 비등한 성능이다. 값비싼 백금 대신 구리를 사용해 경제적인 동시에 반응에 쓰인 불균일촉매는 다시 회수해 오랫동안 안정적으로 재활용할 수 있는 만큼 폐촉매가 발생하지 않아 친환경적이라는 장점도 있다.

이번 연구는 가장 이상적인 촉매인 효소와 유사하게 작동하는 불균일촉매를 세계 최초로 개발하고, 불균일촉매의 가장 큰 단점인 낮은 효율 문제를 해결했다는 데 큰 의미가 있다. 현택환 IBS연구단장은 "개발된 촉매를 광촉매반응에 적용하면 상온, 상압에서도 안정적이고 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있다"고 설명했다.

김철현 기자 kch@asiae.co.kr