백금 단일원자 촉매기술 첫 개발… 카이스트 이현주 교수팀

카이스트(KAIST) 생명화학공학과 이현주(사진) 교수 연구팀이 불균일계 백금 단일원자 촉매를 전기화학 반응에 적용시키는 데 처음 성공했다.

연세대학교 알로이시우스 순(Aloysius Soon) 교수팀과 공동으로 진행한 이번 연구 결과는 화학분야 권위지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 최근호 온라인 판의 핫 페이퍼(Hot Paper)로 선정됐다.

백금은 공기 중 쉽게 부식되지 않고 단단하기 때문에 반지, 귀걸이 등의 장신구로 널리 사용된다. 특히 다양한 분야의 촉매 물질로 활용돼 촉매의 왕이라고 불리며 각종 신재생 에너지 분야에서도 활용도가 높아 그 중요성이 점점 커지고 있다.

백금 촉매의 가격을 낮추기 위해선 백금 입자의 크기를 나노미터 단위로 줄여, 화학 반응에 참여하는 표면적을 최대한 넓히는 것이 중요하다.

큰 얼음 덩어리보다 잘게 간 얼음이 빨리 녹고, 사탕을 씹어 먹으면 더 빨리 녹는 것과 비슷한 원리이다.

현재 기술력으로 가장 작게 제작할 수 있는 백고 나노입자는 2나노미터(nm) 정도이고 이보다 더 작아지면 백금 나노입자의 안정성은 떨어진다.

최근에는 백금 나노입자에서 더 발전된 백금 단일원자 촉매의 개발이 활발하게 이뤄지고 있다.

백금 단일원자 촉매는 각각의 백금 원자가 따로 떨어져 있는 촉매로서, 모든 원자가 반응에 참여할 수 있는 이상적인 촉매 시스템이다.

그러나 단일원자 촉매를 전기 화학 반응에 적용한 사례는 아직 없었다.

이때문에 연료전지나 배터리, 화학물질 생산 등에 널리 이용되는 백금의 단일원자 촉매를 전기화학 반응에 적용시키는 것은 미래 에너지 생태계의 주요 과제이다.

순 교수 연구팀은 2012년 밀도범함수 이론(Density functional theory) 계산을 통해 전도성을 가진 질화 티타늄에 존재하는 결함자리에 백금 단일원자가 존재할 수 있음을 이론적으로 증명했다. 2013년에는 백금 단일 원자가 기존 촉매와는 전혀 다른 특성을 보일 것으로 예측했다.

이 교수 연구팀은 이 결과를 토대로 클로린 리간드를 통해 전도성이 있는 질화 티타늄 나노입자 위에 백금 단일원자 촉매를 만드는 데 성공했다.

백금 단일원자 촉매는 백금 나노입자와 전혀 다른 반응성 및 선택성을 나타냈다. 과산화수소 생성 반응에서 기존의 최고 성능보다 약 3배 향상된 질량당 반응성, 65%의 높은 선택도를 보였다.

유기물질의 산화반응에서도 백금 단일원자는 나노입자와 다른 반응을 보였다. 포름산 산화반응, 메탄올 산화반응에서도 백금 나노입자는 탈수화 반응을 보이는 데 반해, 백금 단일원자는 탈 수소화 반응을 보였다.

이 교수는 “단일원자 촉매는 기존의 촉매 시스템과 전혀 다른 특성을 가져 산업적으로 다양한 반응에 이용 가능하다”며 “단일원자 촉매군을 이용하면 기존의 불균일계 촉매균으로는 불가능했던 높은 반응성과 선택성을 구현할 수 있을 것이다”고 말했다.

대전=임정재 기자 [e-mail]