유사 단일원자 촉매의 수소생산반응 모식도
[대전=일요신문]육군영 기자 = KAIST 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 백금과 전기화학적 물 분해방식을 통해 백금의 사용을 최소화하면서 기존보다 백금의 활용도를 16배 높인 촉매를 개발했다.
이 교수는 “이번에 개발한 촉매는 기존 단일 원자 촉매 연구와 다른 관점에서 접근한 연구로 학술적으로 이바지하는 바가 크다”라며 “이번 연구를 통해 단일 원자 촉매 개발의 독보적인 기술을 확보했다”고 설명했다.
이번 개발은 수전해와 연료전지 기술과 같은 다양한 전기화학 촉매 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
박진규 박사과정과 이성규 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 세계적 화학지인‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 8월 22일 자에 게재됐다. (논문명 : Investigation of Support Effect in Atomically Dispersed Pt on WO3-x for High Utilization of Pt in Hydrogen Evolution Reaction, 수소 생산 반응에서 백금 활용도를 높이기 위해 백금 유사-단일 원자 촉매를 담지한 텅스텐 산화물 지지체 효과 조사)
백금 기반 촉매들은 성능과 안정성이 높아 다양한 전기화학 촉매 분야에서 활용됐지만, 가격이 높아 상용화에 어려움이 있어왔다.
연구팀은 백금의 활용도를 높이기 위해 백금을 단일원자 형태로 텅스텐 산화물 표면에 고분산 시켜 백금이 받는 지지체 효과를 극대화했고, 수소 생산 수전해 촉매에서 높은 성능을 구현했다.
특히 이번 연구에서는 통상적으로 사용되는 탄소 기반 지지체가 아닌 백금과 강한 시너지 효과를 낼 수 있는 메조 다공성 텅스텐 산화물을 단일원자 촉매의 지지체로 사용했다.
이 를 통해 백금 단일 원자를 텅스텐 산화물에 담지했을 때, 텅스텐 산화물에서 백금 단일 원자로 전하 이동이 일어나 백금의 전자구조가 변하는 것을 확인했다.
KAIST 생명화학공학과 이진우 교수
이어 연구팀은 단일 원자 촉매가 갖는 ‘금속과 지지체간의 경계면 극대화’라는 독특한 특징을 활용해 백금 나노입자를 텅스텐 산화물에 담지한 촉매와 비교 실험을 진행해 백금 표면에서 다른 지지체 표면으로 수소가 넘어가는 현상인 수소 스필오버 (Hydrogen spillover)가 크게 발현됨을 확인했다.
이번 연구는 기존 상용 백금 촉매의 사용량을 16분의 1로 줄일 수 있는 것으로 확인되어 향후 전기화학 촉매 분야와 연구전지 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 기후변화대응기술개발사업, 미래소재디스커버리사업의 지원을 통해 수행됐다.
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