'수소 생산 효율 4배'…톱니 모양 백금 촉매 비밀 밝혀냈다

정유성 KAIST 교수 연구팀, 고활성 백금 와이어 수소 발생 메커니즘 규명 성공

[아시아경제 김봉수 기자] 한국과학기술원(KAIST)는 생명화학공학과 정유성 교수 연구팀이 심층 학습(딥러닝)을 통해 고활성 백금 와이어의 수소 발생 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 29일 밝혔다.

백금은 전기차 등에 사용되는 연료 전지에 쓰이거나, 물의 전기 분해를 통해 수소를 얻는 데 사용되는 중요한 촉매이지만 가격이 비싸 기술 보급에 걸림돌이 되고 있다. 이를 해결하는 방법의 하나로 최근 백금을 톱니 와이어 모양으로 합성해 백금의 양을 10배 정도 절약하는 연구들이 발표돼 큰 파장을 불러일으켰지만, 아직 그 메커니즘이 규명되지 않았었다.

연구팀은 복잡한 촉매 표면의 성질을 빠르게 예측하는 딥러닝 방법들을 고안했는데, 이번에 이를 톱니 백금 와이어에 적용해 해당 촉매의 높은 수소 활성 메커니즘을 규명할 수 있었다. 기존에 알려진 촉매 직관을 깨는 새로운 메커니즘이다. 기존에는 수소 발생은 물에서 양성자를 받아 수소를 흡착시키는 흡착 반응과 흡착된 수소 원자들이 결합해 수소 분자가 형성되는 짝지음 반응의 2단계를 거쳐 일어나는데, 이 두 반응은 일반적으로 같은 반응 자리(reaction site)에서 일어나는 것으로 알려졌었다.

그러나 이번에 새롭게 발견된 메커니즘에 의하면 톱니 백금 표면에서는 울퉁불퉁한 구조로 인해 흡착 반응이 잘 일으키는 반응 자리와 짝지음 반응을 잘 일으키는 반응 자리가 따로 존재하며 이 두 자리의 상승 작용으로 인해 촉매 활성이 400% 이상 증가한다. 마치 분업화를 통해 일의 효율을 높이는 것과 같은 개념이 분자 세계에서도 존재하는 것이다.

정유성 교수는 "분자 수준에서 분업을 통해 전체 반응 효율을 높이는 개념들이 기존에도 있긴 했지만, 단일성분인 백금에서 구조에 따른 분업 현상이 규명된 것은 이번이 처음?이라면서 "단일 성분 촉매의 구조를 변화시킴으로써 촉매의 효율을 높일 수 있는 새로운 관점과 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 있다?고 했다.

이 연구 결과는 지난달 17일 미국 화학회가 발행하는 국제학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 온라인판에 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr