친환경 에너지원으로 주목받는 수소를 생산하는 데 필요한 광(光)촉매의 효율을 획기적으로 높이는 기술이 개발됐다.
광촉매는 빛을 받아 화학반응을 매개하는 물질이다. 기존 광촉매인 이산화티타늄(TiO₂) 위에 구리 단원자를 올린 새 촉매는 지금껏 학계에 보고된 촉매 중 최고 성능을 보이는 '백금-이산화티타늄 광촉매'와 비슷한 효율을 보였다.
기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자 연구단 연구팀 등 공동 연구단이 에너지 효율이 높은 우리 몸의 효소를 닮은 촉매를 구현했다고 23일 밝혔다.
연구진은 광촉매 효율을 높이기 위해, 몸속에서 화학반응을 이어주는 '효소'(enzyme)의 작동 원리에 주목했다. 효소는 화학반응을 매개할 때 반응을 촉진하는 '활성점'이 나오도록 구조를 바꾼다. 이 때문에 반응물질과 선택적으로 결합할 수 있어 반응 효율이 높고 반복 사용도 가능하다.
연구진은 광촉매인 이산화티타늄(TiO₂) 위에 구리 단원자를 올려 구리 원자가 효소의 활성점 기능을 하게 했다. 새 촉매는 빛을 받으면 구성 원자들끼리 전자를 주고받아 구조를 바꾸면서 화학반응을 매개했다. 반응할 때 구조를 변경했다가 다시 원구조를 되찾는다는 점이 효소와 유사하다.
구리/이산화티타늄 촉매는 기존 분자수준에서 수소 변환을 유도한 촉매와 달리, 원자단위로 떨어져 있어 원자 표면 전체에서 반응이 일어나는 만큼 효율이 높다. 분자 수준에서는 촉매 표면에서밖에 반응이 일어나지 않는다. [그래픽제공=기초과학연구원]
연구진은 개발한 촉매를 물과 메탄올을 섞은 용액에 넣어 수소를 발생시키는 방법으로 촉매 활성도 측정했다. 반응은 상온과 상압에서 진행됐으며 쪼여준 빛은 태양광을 모사한 것으로 자외선뿐 아니라 가시광선도 포함돼 있다.
촉매는 수소를 생산할 때 빛 에너지의 40% 이상을 수소 전환에 썼다. 기존 이산화티타늄 광촉매는 빛 에너지의 30% 정도를 이용한다. 또 새 촉매는 이산화티타늄 광촉매보다 시간당 33배 더 많은 수소를 생산해냈다.
이는 지금껏 학계에 보고된 촉매 중 최고 성능을 보이는 '백금-이산화티타늄 광촉매'와 유사한 수준이라고 연구진은 설명했다.
남기태 교수는 "촉매 원재료 구매에는 그리 비용이 들지 않는다"며 "앞으로 다가올 수소 경제 시대에 새 촉매가 기여했으면 좋겠다"고 기대를 나타냈다.
이산화티타늄에 붙은 구리는 회수해 재활용할 수 있는 만큼, 산업 폐기물이 발생하지 않는 것도 새 촉매의 장점이다. 현재 산업 촉매의 대부분은 수명을 다하면 폐기돼 매립되고, 이 과정에서 2차 오염을 유발해 문제가 됐다.
현택환 단장은 "상온·상압에서 안정적으로 수소를 제조할 수 있는 출발점이 될 것으로 본다"고 연구의 의의를 밝혔다.
이번 연구성과는 이날 재료분야 권위있는 학술지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials) 온라인판에 실렸다.