"백금 10분의 1만 썼다"…서울대·스탠퍼드, 차세대 수소 촉매 개발[과학을읽다]

원자 수 정밀 제어로 수소 생산 효율·내구성 동시 향상
"겉보기 크기 같아도 성능 달라"…원자 개수의 비밀 규명
사이언스 게재…"수십g 단위 생산 가능, 산업화 기대"

서울대학교와 미국 스탠퍼드대학교 공동연구진이 백금 사용량은 기존 대비 10분의 1 수준으로 줄이면서도 수소 생산 효율과 촉매 내구성을 동시에 높인 차세대 촉매 기술을 개발했다. 연구진은 특히 촉매 입자의 '크기'가 아니라 실제 구성 원자 수가 성능을 결정한다는 사실을 세계 최초로 규명했다.

과학기술정보통신부는 '탑-티어 연구기관 간 협력플랫폼 구축 및 공동연구 지원사업(탑티어 사업)'에 참여 중인 서울대-스탠퍼드 국제공동연구팀이 세계 최고 수준의 수소 생산 성능과 촉매 수명을 구현한 백금 클러스터 촉매 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

균일한 클러스터의 선택적 형성 모식도와 형성 과정별 전자현미경 관찰 결과. 메탄올 기반 환원 공정을 이용해 백금 원자 주변의 리간드를 제거하고, 백금 원자가 촉매 지지체에 직접 결합하도록 유도했다. 이후 공기 소성과 수소 환원 과정을 거쳐 지지체와 강하게 결합한 균일한 백금 클러스터를 형성했으며, 전자현미경 분석 결과 비슷한 크기의 클러스터라도 실제 구성 원자 수는 서로 다른 것으로 확인됐다. 연구진 제공

이번 연구는 서울대학교 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀과 미국 스탠퍼드대학교 화학공학부 토마스 F. 하라미요, 마테오 카그넬로 교수 연구팀이 공동 수행했다.

연구 결과는 국제학술지 사이언스(Science)에 29일 게재됐다.

수소는 탄소중립 시대 핵심 청정에너지원으로 주목받고 있지만, 액상유기수소운반체(LOHC) 기반 수소 저장·운송 기술에는 고가의 귀금속 촉매가 필수라는 한계가 있었다. 특히 수소를 다시 추출하는 과정에서 많은 양의 백금 촉매가 필요해 경제성이 문제로 지적돼 왔다.

"원자 개수가 성능 좌우"…백금 클러스터 정밀 제어

공동연구진은 백금 원자 주변의 화학물질(리간드)을 제거하고, 백금 원자를 촉매 지지체에 직접 결합시키는 새로운 합성 전략을 도입했다.

이를 통해 연구진은 약 1나노미터(㎚) 크기의 균일한 백금 원자 뭉치(클러스터) 촉매를 구현했다. 머리카락 굵기의 약 10만분의 1 수준이다.

유사 크기 클러스터의 원자 수 수준 분석법과 클러스터 촉매 분석. 전자현미경 기반 분석법을 통해 백금 클러스터를 원자 수 수준까지 정밀 분석한 결과, 약 1나노미터(㎚) 크기의 비슷한 클러스터라도 금속 농도에 따라 실제 구성 원자 수는 13~31개까지 달라질 수 있음을 확인했다. 연구진 제공

이 촉매는 백금 원자의 활용 효율을 극대화하는 동시에 지지체에 단단히 고정돼 높은 내구성을 보였다.

특히 연구진은 새롭게 개발한 전자현미경 분석법을 통해 겉보기에는 비슷한 크기의 백금 클러스터라도 실제 구성 원자 수는 13개에서 31개까지 달라질 수 있다는 점을 세계 최초로 확인했다.

기존에는 비슷한 크기의 촉매 입자는 같은 성능을 낼 것으로 여겨졌지만, 이번 연구는 '원자 개수' 자체가 수소 생산 성능과 내구성을 좌우하는 핵심 변수임을 입증한 것이다.

서울대 연구진은 촉매 제조와 구조 분석, 성능 검증을 담당했고, 스탠퍼드 연구진은 원자 수준 반응 메커니즘과 흡착 특성 계산을 맡아 실험과 계산 기반 해석을 결합했다.

"수십g 단위 생산 가능"…수소경제 상용화 기대

연구진이 개발한 촉매를 실제 수소 추출 반응에 적용한 결과, 기존 상용 촉매보다 백금 사용량은 10분의 1 수준으로 줄었지만 수소 생산량과 촉매 수명은 오히려 크게 향상됐다.

액상 유기 수소 운반체 탈수소화 기반 수소 생산 성능 비교. 액상유기수소운반체(LOHC)인 메틸사이클로헥세인 기반 수소 생산 실험 결과, 원자 수가 적은 백금 클러스터일수록 백금 원자당 촉매 성능은 높았지만 안정성은 낮아지는 경향을 보였다. 반면 연구진이 개발한 0.5wt% Pt/Al₂O₃ 클러스터 촉매는 기존 상용 촉매 대비 백금 사용량을 10분의 1 수준으로 줄이면서도 더 높은 수소 생산 활성과 내구성을 구현했다. 연구진 제공

또 이번 합성법은 실험실 규모에서 수십 그램(g) 단위까지 단일 공정으로 생산이 가능해 추가 대량생산에도 큰 제약이 없을 것으로 연구진은 보고 있다.

박정원 서울대학교 화학생물공학부 교수는 "이번 연구는 단순한 촉매 크기 최적화를 넘어 원자 수 단위의 정밀 구조 제어를 통해 수소 생산 성능을 극대화한 성과"라며 "수소경제를 선도할 핵심 촉매 플랫폼 기술로 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

황성훈 과기정통부 국제협력관은 "탑티어 사업이 지향하는 세계 최초·최고 수준 국제공동연구 성과의 대표 사례"라며 "앞으로도 국제협력을 통한 세계적 연구성과 창출을 적극 지원하겠다"고 밝혔다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr