상온에서 1년 이상 안정된 상태로 유지 가능한 단일 원자 백금 촉매가 개발됐다. 연료전지 기술에 적용할 경우 과산화수소 생산도 가능할 전망이다.
KAIST는 최민기 생명화학공학과 교수와 김형준 EEWS 대학원 교수 연구팀이 공동으로 1년 이상 단일원자 형태가 유지되는 백금 촉매 개발에 성공했다고 14일 밝혔다.
연구진은 이번 연구에 금속과 강하게 결합할 수 있는 황 원자를 이용했다. 제올라이트를 거푸집으로 사용해 황 원자가 다량으로 분포된 탄소 나노구조를 합성한 결과 이 물질에 백금 촉매를 형성했을 때 단일 원자 형태로 백금을 안정화시키는 것을 발견했다.
연구진은 “연구팀은 황과 결합된 이 탄소 소재가 일반적인 촉매 합성 방법을 통해서도 백금이 단일 원자 크기로 존재하는 것을 확인했다”며 “기존 단일 원자 촉매는 불안정성으로 인해 구조가 쉽게 변했지만 연구팀이 개발한 촉매는 상온에서 1년이 지난 후에도 대부분 촉매가 단일 원자로 존재하는 안정성을 보였다”고 설명했다.
연구진은 일반적인 단일 원자 백금 촉매를 수소와 산소를 이용해 연료전지 기술에 적용할 경우 대부분 물이 형성되지만, 이 단일 원자 백금 촉매는 고부가가치 물질인 과산화수소(H2O2)가 95% 이상 만들어져 저렴한 과산화수소 생산까지 기대했다.
백금 고체 촉매는 산업계에서 널리 쓴다. 백금 촉매 입자를 최대한 작게 합성하려는 연구가 많이 이뤄지고 있다. 고가 촉매 활성물질인 백금을 최대한 효율적으로 활용하기 위해서다.
그동안 과학계에서는 가장 작은 구성원소인 단일 원자로 이뤄진 백금 촉매(0.1㎚ 수준)를 개발했으나 안정성이 떨어져 특정 금속산화물을 담지체로 사용해 백금 원자를 안정화해야 했다. 그러나 이마저도 장기적으로는 안정성이 떨어지는 경우가 대부분이었다.
탄소 소재는 전기전도성이 높고 저렴해 담지체로서 장점을 갖고 있지만 금속을 안정화시키는 능력이 매우 떨어져 탄소 전극 위에서 백금을 합성시키기는 어려웠다.
이번 연구는 미래창조과학부의 지원을 받아 수행됐다.
최민기 교수는 “다른 단일 원자 촉매군에 비해 훨씬 높은 안정성을 가져 촉매 수명을 획기적으로 늘릴 수 있을 것”으로 기대했다.
김형준 교수는 “양자역학 시뮬레이션을 이용해 단일 원자 백금 촉매가 탄소 담지체에서 갖는 안정성 및 특이한 선택성 등의 원인을 밝혔다”고 말했다.
연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 8일자 온라인 판에 게재됐다.
대전=박희범 과학기술 전문기자 hbpark@etnews.com
