서울대-스탠포드 공동연구진, 차세대 촉매기술 개발

[파이낸셜뉴스] 서울대학교 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀은 미국 스탠포드대 화학공학부 토마스 F. 하라미요(Thomas F. Jaramillo), 마테오 카그넬로(Matteo Cargnello) 교수 연구팀과 수소 생산 촉매로 사용되는 고비용 귀금속인 백금의 사용량을 획기적(기존 상용 촉매 대비 10분의 1 수준)으로 줄이면서도 세계 최고 수준의 수소 생산 성능을 구현할 수 있는 차세대 촉매기술 개발에 성공했다.과학기술정보통신부는 '탑-티어 연구기관 간 협력플랫폼 구축 및 공동연구 지원' 국제공동 연구진(韓서울대-美스탠포드)이 세계 최고 수준의 수소 생산 성능과 촉매 내구성(수명)을 동시에 구현할 수 있는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

과기정통부 탑티어 사업에 참여 중인 서울대학교-스탠포드 연구진은 이산화탄소 포집·전환과 수소 저장·활용을 주제로 국제공동연구를 수행 중이다.

세계적 수준의 공동연구팀 간 협력 시너지를 보여주는 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 국제학술지 '사이언스(Science)'에 5월 29일 오전 3시(현지시간 오후 6시) 게재됐다.

연구팀에 따르면 수소는 탄소 중립 사회로의 전환을 이끌 핵심 청정 에너지원으로 주목받고 있다. 그러나 대용량 수소를 장거리 운송할 때 기존의 고압가스, 액화수소 방식은 안정성과 비용 측면에서 한계가 있어, 액체 연료처럼 다룰 수 있는 액상유기수소운반체(LOHC) 기술이 유망한 대안으로 떠오르고 있다. 그러나, 이 기술은 운반된 액상 물질에서 다시 수소를 추출하는 과정 중에 값비싼 귀금속(백금) 촉매가 필수적이라는 문제가 있었다.

공동 연구팀은 백금 원자 주변의 화학물질(리간드)을 제거하고, 백금 원자를 지지체(촉매 기반물질)에 직접 결합시키는 새로운 촉매합성 전략을 도입했다. 백금 원자가 지지체 위에서 가장 안정한 위치를 찾도록 유도하고, 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 고정하여 뛰어난 내구성을 발휘한다.

이에 더해, 연구팀은 새로 개발한 전자현미경 분석법을 통해, 겉보기에 거의 동일한 크기의 백금 원자 뭉치(클러스터)라도 구성 원자 수가 13개에서 31개까지 다를 수 있음을 세계 최초로 밝혀냈다.

이러한 기술로 개발된 촉매를 액체 상태 화합물에서 수소를 뽑아내는 반응에 적용한 결과, 시중 기존 촉매보다 백금 사용량이 10분의 1로 대폭 줄면서도, 수소 생산량과 촉매의 수명(내구성)은 오히려 크게 향상됐다. 또 이 합성법은 실험실 규모에서 수십 그램 단위의 대량 합성이 단일 공정으로 가능해, 향후 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 수소 생산 성능을 극대화한 성과"라며, "기초연구와 산업적 응용을 직접 연결하는 촉매 플랫폼으로서 수소경제를 선도할 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다"고 밝혔다.

[e-mail] 연지안 기자