포스텍은 이인수 화학과 교수와 수맨두타 연구교수, 통합과정 구병수 씨 연구팀이 두 가지 금속이 위치 선택적으로 증착된 백금 나노촉매를 개발했다고 27일 밝혔다. 친환경 에너지원인 수소생산 촉매효율을 높여 향후 수소연료 생산비용을 낮추는 데 활용될 것으로 기대된다.
수 나노미터(㎚) 크기 촉매 표면의 특정한 위치에 다른 물질을 선택적으로 증착시키는 것은 매우 어렵다. 의도하지 않은 위치에 증착된 물질이 오히려 촉매 활성자리를 막거나 서로의 기능을 방해할 수 있기 때문이다. 물 분해를 활성화하는 니켈이나 수소 이온이 수소 분자로 변환되는 반응을 촉진하는 팔라듐을 하나의 물질에 동시에 증착해 함께 사용할 수 없는 이유가 이 때문이다.
연구팀은 자체적으로 개발한 나노반응기를 이용해 2차원 형태의 판상형 나노결정 위에 증착되는 금속의 위치를 미세하게 제어했다. 이를 통해 2차원 백금 나노결정의 여러 결정면에 각기 다른 물질로 도포할 수 있는 나노 스케일 미세증착 공정을 개발했다.
연구팀은 이를 기반으로 연속적 증착 방법을 통해 2차원 백금 나노결정의 평면과 가장자리에 각각 팔라듐과 니켈 나노박막이 선택적으로 도포된 형태의 '백금-니켈-팔라듐' 삼금속 하이브리드 촉매물질을 합성했다.
하이브리드 촉매의 서로 다른 위치에 구획돼 형성된 니켈·백금과 팔라듐·백금 계면은 각각 물분자 분해과정과 수소분자 생성과정을 촉진, 두 과정이 협동적으로 일어나는 수전해-수소발생 반응 효율을 크게 향상시켰다.
실험 결과, 삼금속 하이브리드 나노촉매는 기존 백금-탄소 촉매에 비해 약 7.9배 향상된 활성을 보였다. 또 50시간 정도 오랜 반응에서도 활성을 유지하며 높은 안정성을 보였다. 기존의 하이브리드 촉매들이 지녔던 이종 계면들 사이의 기능적 간섭이나 충돌 문제를 해결한 것이다.
이인수 교수는 “공정상의 어려움을 극복하고 하이브리드 물질에서 이종 계면을 결합하는 데 성공했다”며 “수소 반응에 최적화된 촉매 재료 개발에 널리 적용되기를 바란다”고 말했다.
한국연구재단의 리더연구자지원사업의 지원으로 진행된 이번 연구는 화학분야에서 영향력 있는 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
