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<strong class="media_end_summary">IBS 나노입자연구단, 23일 네이처 머터리얼스 게재</strong><span class="end_photo_org">
<em class="img_desc">물과 메탄올을 섞은 반응물에 개발된 '단원자 구리/이산화티타늄 촉매'를 넣고 빛을 가하면 수소가 생성된다. 사진 속 기포는 수소가 활발히 생성되고 있음을 보여준다.(IBS 제공)© 뉴스1</em></span><br>(서울=뉴스1) 최소망 기자 = 국내 연구진이 물에 빛을 쪼여 수소를 분해할 수 있는 '광(光)촉매'의 효율을 33배나 높인 새로운 촉매를 개발했다. 기존 기술보다 뛰어난 수소 생산율을 보이면서도 가격은 보다 저렴하고 분해과정도 환경에 유해하지 않아, 차세대 에너지원으로 꼽히는 수소를 안정적으로 공급하는 데 활용될 수 있을 전망이다.<br><br>과학기술정보통신부는 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연단장 연구팀·남기태 서울대 재료공학부 교수 연구팀이 효소와 유사한 불균일촉매인 '단원자 구리·이산화티타늄 촉매'를 세계 최초로 개발했다고 23일 밝혔다.<br><br>이 촉매를 물에 넣고 빛을 쪼이면 기존 촉매보다 빛 에너지의 40% 이상을 수소전환 반응에 사용한다. 이는 기존 순수 이산화티타늄보다 33배 향상된 수소 생산 능력이다.<br><br>특히 새로 개발한 촉매는 값싼 구리와 티타늄을 사용하기 때문에 원재료 비용은 거의 들지 않을만큼 저렴하면서도 기존에 값비싼 백금과 이산화티타늄 광촉매를 사용했을때보다 1.5배 뛰어난 성능을 보인다. <br><br>이처럼 효율이 높고 저렴한 촉매를 연구진이 만들 수 있었던 이유는 '균일촉매'와 '불균일촉매'의 장점만을 취합해 새로운 촉매를 만들었기 때문이다. <br><br>균일촉매는 촉매·반응물·생성물이 모두 다 용매에 녹아있어 효율이 높으나 생산단가가 비싸고, 재활용이 어려워 친환경적이지 못하다는 단점이 있다. 반면 고체형태의 불균일촉매는 생산비용이 싸고 재활용이 가능하지만 효율이 낮다는 한계가 있다.<br><br>연구진은 이의 장점만 결합하기 위해 생명체 속 '효소'(enzyme)의 작동원리를 적용해 분자구조로 변환해 촉매를 구성했다. <br><br>효소는 수천만년에 걸쳐 자연적으로 발전한 촉매로, 생체 내에서 산화와 환원 반응을 통해 주변 단백질과 전자를 주고 받으며 상호작용한다. 이때 자신의 구조를 유연하게 바꾸면서 특정 단백질에 선택적으로 반응해 높은 효율을 보이는 특징이 있다.<br><br>연구진이 개발한 촉매는 효소의 구조 원리와 유사하게 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자 위에 구리(Cu) 원자 한 개를 올린 형태다. 이론연구를 통해 구리원자를 올렸을 때 열역학적으로 가장 안정적인 상태를 유지할 수 있는 위치를 확인했고, 이어 해당 위치에 구리 단원자를 올려 '단원자 구리·이산화티타늄 나노촉매'를 제조했다.<br><br>단원자 촉매는 원자 하나하나가 모두 촉매반응에 참여해 기존 덩어리 촉매보다 가격 대비 촉매 효율성이 수십 배 이상 높다. 또 연구진은 개발된 촉매가 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것도 확인했다.<br><br>현재 수소 생산 규모는 실험실에서 생산하는 수준에 그친다. 1시간동안 촉매 1g당 수소 30mg을 생산할 수 있는 수준이다. 수소자동차의 경우 약 5kg 정도의 수소가 공급돼야 실제 운행이 가능하다는 점을 감안했을 때, 현재 실험실에서 제작하는 수준인 촉매를 산업에 적용하고 상용화 할 수 있을만큼 확대하려면 촉매 기술 뿐만 아니라 수소를 저장하고, 이동시킬 수 있는 기술이 동반개발 돼야 한다는 것이 연구진의 설명이다. <br><br>현택환 단장은 "가장 이상적인 촉매인 효소와 유사하게 작동하는 불균일촉매를 세계 최초로 개발하고, 불균일촉매의 가장 큰 단점인 낮은 효율 문제를 해결했다는데 큰 의미가 있다"고 말했다.. <br><br>이번 연구 성과는 23일 '네이처 머터리얼스'(Nature Materials) 온라인판에 실렸다. <br><br><span class="end_photo_org">
<em class="img_desc">현택환 IBS 나노입자연구단 연구단장과 남기태 서울대 재료공학부 교수가 물에 빛을 쪼여 수소를 만들어 낼 수 있는 '단원자 구리/이산화티타늄 촉매'에 대해 브리핑을 하고 있다© 뉴스1</em></span><br><br>somangchoi@news1.kr<br><br>
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<em class="img_desc">현택환(왼쪽) 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장 연구팀은 효소 작동원리를 닮은 재활용 가능한 광촉매를 개발했다는 연구결과를 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스’ 23일자에 발표했다. 남기태(가운데) 서울대 재료공학부 교수와 김형준(오른쪽) KAIST 화학과 교수 연구팀도 함께 참여했다.IBS 제공 </em></span> <br><br>생체 물질인 효소의 작동원리를 모사해 적은 비용으로 효율적으로 수소를 생산할 수 있는 친환경 촉매 기술이 개발됐다. 현재 사용되고 있는 값비싼 백금 촉매와 효율은 비슷하면서, 재활용이 가능해 폐기물이 발생하지 않는 게 장점이다. 향후 수소 경제 사회를 앞당기는 데 도움이 될 것으로 기대를 모으고 있다.<br><br>현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장과 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈제어소재연구단장(서울대 재료공학부 교수), 김형준 KAIST 화학과 교수팀은 효소의 작동원리를 응용해 빛으로 수소를 생산할 수 있는 촉매를 개발하는 데 세계 최초로 성공했다. 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스’ 23일자에 발표됐다.<br><br>촉매는 물질의 화학 반응 속도를 조절하는 물질이다. 화학 반응이 쉽게 이뤄지게 해 물질을 합성하거나 오염물질을 정화하는 등 다양한 용도에 활용된다. 촉매는 반응하기 전 물질의 상태와 반응 뒤 물질의 상태가 같은지 여부에 따라 '균일촉매'와 '불균일촉매'로 나뉜다. 수소를 생산할 때처럼 반응 전의 물질은 액체(물)였는데 반응 뒤에 기체(수소)로 바뀌는 등 반응 전후의 상태가 서로 다를 때 그 촉매를 불균일촉매라고 부른다. <br><br>불균일촉매는 생산비용이 싸고 재활용이 가능하지만, 효율이 낮은 게 단점이다. 또 수명이 다하면 폐기돼 땅에 매립해야 해 2차 오염을 유발하는 문제가 있었다.<br><br>연구팀은 생명체가 가진 생체 촉매인 효소를 이용해 불균일촉매의 단점을 극복했다. 효소는 온도나 산성도 등 주변 환경에 예민한 단백질 분자다. 복잡한 입체 구조를 갖고 있는데, 환경에 따라 스스로 구조를 바꿀 수 있다. 효소는 이런 ‘변신’ 능력을 활용해, 마치 야구 장갑으로 딱 맞는 크기의 야구 공을 잡듯 주변의 특정 단백질만을 골라 결합하거나, 그 단백질의 구조를 변형시킨다. 각자 자기만의 독특한 구조를 바탕으로 원하는 물질만 빠르게 골라 반응을 일으키기에 화학 반응 효율이 매우 높다는 게 장점이다. <br><br>연구팀은 이런 효소의 능력을 흉내 내 특정 조건에서 특정 물질과만 결합을 잘 하는 촉매를 만들었다. 먼저 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 위에 구리 원자를 올렸다. 여기에 연구진이 빛을 가하자, 구리와 이산화티타늄이 서로 전자를 주고받으며 이산화티타늄의 구조를 바꿨다. 야구공을 잡는 장갑의 상태가 된 것이다. 이 상태에서 반응을 시키자, 구리 원자가 하나하나 촉매로 작용했다. 촉매 작용이 끝난 뒤에는 다시 이산화티타늄의 구조가 원래대로 돌아와 재활용이 가능한 상태가 됐다. 폐기물 발생을 원천적으로 막을 수 있게 된 것이다.<br><br>연구팀은 물과 메탄올을 이용해 수소를 직접 생산하며 효율을 확인했다. 그 결과 지금까지 가장 효율이 좋은 백금/이산화티탄을 이용한 촉매와 거의 비슷한 효율을 보인다는 사실을 확인했다. 하지만 귀금속인 백금 대신 구리를 쓰기에, 생산비용은 오히려 훨씬 저렴했다. 연구팀은 “불균일촉매의 장점인 싼 생산비용과 재활용 가능성을 살리면서도 단점인 낮은 효율을 극복하는 데 성공했다”고 밝혔다.<br><br>현 단장은 “개발된 촉매를 물을 햇빛으로 수소로 생산하는 광촉매 반응에 활용하면 일상적인 온도나 압력 상태에서도 안정적이고 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있다”며 “수소 경제의 출발점이 되는 원천기술을 개발했다”고 말했다. <br><br>[고재원 기자 jawon1212@donga.com]<br><br>
