수소 생산 효율↑↑ 비용↓…차세대 촉매 개발 [지금은 과학]

[아이뉴스24 정종오 기자] 탄소중립을 앞당길 수소생산에 새로운 길이 열렸다. 수소 생산 효율은 크게 늘리면서 비용은 낮춘 차세대 촉매 기술이 개발됐다. 산업화 가능성이 커 앞으로 탄소중립에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부(부총리 겸 과기정통부 장관 배경훈)는 ‘탑-티어 연구기관 간 협력플랫폼 구축과 공동연구 지원(탑티어 사업)’ 국제공동 연구팀(서울대-스탠퍼드대)이 세계 최고 수준의 수소생산 성능과 촉매 내구성(수명)을 동시에 구현할 수 있는 기술을 개발했다고 29일 발표했다.

서울대 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀은 미국 스탠퍼드대 화학공학부 토마스 F. 하라미요(Thomas F. Jaramillo), 마테오 카그넬로(Matteo Cargnello) 교수 연구팀과 수소생산 촉매로 사용되는 고비용 귀금속인 백금의 사용량을 획기적(기존 상용 촉매보다 10분의1 수준)으로 줄이면서도 세계 최고 수준의 수소생산 성능을 구현할 수 있는 차세대 촉매 기술 개발에 성공했다.

과기정통부 탑티어 사업에 참여 중인 서울대-스탠퍼드대 연구팀은 이산화탄소 포집·전환과 수소 저장·활용을 주제로 국제공동연구를 수행 중이다. 나노 수준의 소재 설계에서 세계 최고 수준 역량을 가진 협력을 통해 우수 연구 성과뿐 아니라 인력과 정보 교류도 추진하고 있다.

수소는 탄소중립 사회로의 전환을 이끌 핵심 청정 에너지원으로 주목받고 있다. 대용량 수소를 장거리 운송할 때 기존의 고압가스, 액화수소 방식은 안정성과 비용 측면에서 한계가 있다. 액체 연료처럼 다룰 수 있는 액상유기수소운반체(LOHC) 기술이 유망한 대안으로 떠오르고 있다.

이 기술은 운반된 액상 물질에서 다시 수소를 추출하는 과정 중에 값비싼 귀금속(백금) 촉매가 필수적이라는 문제가 있었다.

공동연구팀은 백금 원자 주변의 화학물질(리간드)를 제거하고 백금 원자를 지지체(촉매 기반물질)에 직접 결합시키는 새로운 촉매합성 전략을 도입했다. 백금 원자가 지지체 위에서 가장 안정한 위치를 찾도록 유도했다. 수소 처리 과정을 거쳐 머리카락 굵기의 10만분의 1크기(약 1nm)에 해당되는 백금 원자 뭉치(클러스터) 촉매를 균일하게 만드는 데 성공했다.

이 촉매는 수소 추출 과정에서 백금 원자의 사용효율을 높이고, 지지체 위에 단단히 고정해 뛰어난 내구성을 발휘한다. 연구팀은 새로 개발한 전자현미경 분석법을 통해 겉보기에 거의 같은 크기의 백금 원자 뭉치(클러스터)라도 구성 원자 수가 13개에서 31개까지 다를 수 있음을 세계 최초로 알아냈다.

기존에는 비슷한 크기의 촉매 입자는 같은 성능을 가진다고 여겨졌는데 이번 연구를 통해 ‘원자 개수’가 촉매의 수소생산 성능과 내구성을 결정하는 핵심 요인임을 입증했다.

이 과정에서 서울대 연구팀은 촉매 제조부터 구조 규명, 반응 성능 검증 등의 실험을 통해 핵심 연구 결과를 확보했다. 스탠퍼드대 연구팀은 나노소재와 원자 수준 현상해석 전문성을 바탕으로 백금 원자 개수와 수소 생산 효율의 관계(흡착특성)를 계산하는 역할을 맡았다. 두 기관은 실험 결과와 계산 기반의 결과 해석을 상호보완적으로 연결해 이번 성과를 창출해냈다.

이러한 기술로 개발된 촉매를 액체 상태 화합물에서 수소를 뽑아내는 반응에 적용한 결과 시중 기존 촉매보다 백금 사용량이 10분의 1로 대폭 줄었다. 동시에 수소 생산량과 촉매의 수명(내구성)은 오히려 크게 높아졌다.

이 합성법은 실험실 규모에서 수십 그램 단위의 대량 합성이 단일 공정으로 가능해 앞으로 친환경 수소 사회를 앞당길 경제적·산업화 가능성까지 함께 확인했다.

박정원 교수는 “이번 연구는 단순한 촉매 크기 최적화를 넘어 원자 수 단위의 정밀한 구조 제어를 통해 수소생산 성능을 극대화한 성과”라며 “기초연구와 산업적 응용을 직접 연결하는 촉매 플랫폼으로써 수소경제를 선도할 핵심기술로 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

황성훈 과학기술정보통신부 국제협력관은 “박정원 교수 연구팀이 스탠퍼드대 연구팀과 함께 이뤄낸 이번 성과는 탑티어 사업이 지향하는 세계 최초·최고 수준의 연구 성과 창출을 보여주는 대표적 사례”라며 “앞으로도 정부는 연구자들이 국제협력을 통해 연구 역량을 한층 강화하고 세계를 선도하는 성과를 지속 창출할 수 있도록 든든한 지원군이 되겠다”고 전했다.

연구 성과(논문명: Dependence of catalytic properties of strongly supported platinum clusters with atom counts)는 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 29일 실렸다.