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IBS 나노입자연구단, 단원자 고체 촉매 기술 네이처에 발표[아이뉴스24 최상국 기자] 생체효소가 작동하는 원리를 모방한 새로운 방식의 고체 촉매 제조 기술이 개발돼 수소 생산을 비롯한 다양한 산업에서의 응용이 기대된다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단(단장 현택환 서울대 석좌교수)은 남기태 서울대 재료공학부 교수, 김형준 KAIST 화학과 교수팀과 공동으로 자연계의 이상적인 촉매인 효소의 원자구조를 금속화합물로 재현하는 데 성공하고 이를 바탕으로 수소 생산 효율을 기존보다 50% 이상 높일 수 있는 새로운 광촉매를 개발했다고 23일 발표했다.

이번에 개발된 기술은 기존의 여러 가지 촉매들이 갖는 단점들을 극복하고 효율이 높으면서도 재활용이 가능하며 친환경적인 촉매를 개발하기 위해 효소의 작동원리를 모방한 것이 가장 큰 특징이다.

우리 몸의 효소는 주변 단백질과의 상호작용을 통해 자신의 모습을 바꿔 활성점을 만들고, 이 활성점을 중심으로 특정 물질과만 선택적으로 반응함으로써 높은 효율을 달성한다.

연구진은 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 위에 구리 원자 한 개를 얹은 형태로 활성점을 인위적으로 구현, 효소처럼 작동하는 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 만들어냈다.

연구진이 개발한 단원자 구리/이산화티타늄 촉매의 현미경 이미지 [IBS]

사전 이론연구를 통해 구리원자를 올렸을 때 열역학적으로 가장 안정적인 상태를 유지할 수 있는 위치를 파악, 그 위치에 구리 원자를 올렸다. 조성표 서울대 기초과학공동기기원 교수팀이 안정화된 단일원자의 모습을 포착했고, 이국승 포항방사광가속기연구소 에너지환경연구팀이 방사광가속기를 활용해 원자 수준에서 분광학적 구조를 파악했다.

연구진은 개발된 촉매가 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 상호 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고, 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것을 확인했다.

또한 개발된 촉매를 광합성 수소 생산 반응에 적용한 결과, 전달받은 빛의 40%이상이 수소로 전환되는 뛰어난 성능을 나타냈다. 촉매 1g으로 시간당 30mg의 수소가 생성됐다.(오후 2시 일조량 기준) 이는 현재 가장 우수한 성능을 보이는 백금/이산화티타늄 광촉매와 비슷한 수준이다. 즉 값비싼 백금 촉매와 같은 성능을 구리로 구현한 것이다.

개발된 촉매를 이용해 수소를 생산하는 모습. 물과 메탄올을 섞은 반응물에 개발된 촉매를 넣고 빛을 가하면 수소가 생성된다. 사진 속 기포는 수소가 활발히 생성되고 있음을 보여준다. [IBS]

이번 연구는 가장 이상적인 촉매인 효소와 유사하게 작동하는 고체촉매를 개발했다는데 큰 의미가 있다. 향후 수소생산은 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학공정에서도 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다.

현택환 IBS연구단장은“이번에는 구리로 단원자 촉매를 만들었지만 다른 다양한 금속에도 적용 가능한 플랫폼 기술"이라고 설명하고 "개발된 촉매를 햇빛으로 수소로 생산하는 광촉매반응에 적용하면 상온·상압에서도 안정적이고 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있게 됐다”고 연구의의를 부여했다.

연구내용은 네이처 머터리얼스(Nature Materials)온라인판에 23일 게재됐다.

(왼쪽부터) 현택환 IBS 나노입자 연구단장(공동 교신저자), 이병훈 IBS 나노입자 연구단 연구원(공동 제1저자), 박승학 서울대 연구원(공동 제1저자), 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈 제어 소재 연구단장(공동 교신저자) [IBS]

최상국기자 skchoi@inews24.com