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<변형된 금속산화물 표면에 안정하게 고중량 단일 원자 로듐 촉매가 올려진 모식도>

기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 이효영 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 부연구단장팀이 단일금속원자를 다량 탑재해 요소 산화 반응을 앞당길 고성능 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다. 물 분해 방식보다 저전력으로 수소 생산량을 늘릴 수 있어 그린 수소 생산에 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가된다. 요소가 풍부한 폐수를 이용해 수소를 생산, 수질 오염 완화도 기대된다.

요소 산화 반응 속도를 높이는 촉매로 귀금속 기반 백금(Pt) 및 로듐(Rh) 금속 촉매가 쓰이지만, 매우 고가이며 장기간 작동 시 촉매 성능 및 안정성이 좋지 않다. 탁월한 활성반응을 나타내는 단일 원자 촉매가 주목받지만, 쉽게 이동해 응집되는 경향 있어 단일 원자를 많이 탑재할 수 없는 문제가 있다.

연구진은 새로운 표면 변형 전략 방법을 개발, 단일 금속 원자 초고중량 탑재 및 안정화를 이뤘다. 액체 질소 담금질 방법을 사용해 산화 코발트(Co₃O₄)표면에 변형을 생성했다. 액체 질소 탓에 급하게 냉각된 산화물 지지체 표면은 열팽창으로 인해 변형이 생긴다. 이런 표면에 로듐 단일 원자를 기존 중량대비 2배 더 많이 올려 안정화할 수 있다. 변형된 표면은 로듐 이동 에너지 장벽을 크게 증가시켜 이동과 응집을 억제하는 효과도 지니는 것을 발견했다.

연구진은 로듐뿐만 아니라 백금, 이리듐 및 루테늄 기반 단일 원자들도 변형된 표면에서 고중량 탑재가 가능한 것을 발견했다. 촉매 효율 평가 결과 기존 상용화 전극보다 더 낮은 전압에서 수소가 발생되고 구조 변화 없이 100시간 동안 장기간 안정성도 보였다. 고전압으로 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 방법에 비해 약 16% 에너지를 절약할 수 있다.

이효영 부연구단장은 “고효율 요소 산화 전기 촉매를 통해 단일 원자 촉매 분야에서 오랜 문제였던 고중량 탑재 및 안정화를 해결했다”며 “고순도 수소를 저렴한 가격과 친환경적인 방식으로 생산이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 환경에너지 분야 세계적인 권위지인 '에너지&환경 과학'에 9월 30일 온라인 게재됐다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com