[월간수소경제 송해영 기자] 기초과학연구원(IBS) 현택환 나노입자 연구단 단장(서울대 석좌교수) 연구팀은 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈 제어소재 연구단 단장(서울대 교수), 김형준 KAIST 교수팀과 공동으로 수소 생산 효율을 기존보다 50% 이상 높일 수 있는 새로운 광촉매를 개발했다.

연구진은 세계 최초로 우리 몸의 효소와 작동 원리가 유사한 불균일촉매(heterogeneous catalyst)를 개발하고, 효율이 높은 균일촉매(homogeneous catalyst)와 저렴하고 재활용 가능한 불균일촉매의 장점을 결합한 새로운 촉매를 제조했다.

우선 연구팀은 광촉매인 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자 위에 구리 원자를 올려서, 효소처럼 작동하는 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 개발했다.

효소는 주변 단백질과의 상호작용을 통해 반응하기 가장 적합한 형태로 자신의 구조를 바꿔 촉매반응에 참여한다. 연구진은 이번에 개발한 촉매가 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 상호 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고, 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것을 밝혔다.

이번에 개발된 촉매를 햇빛을 이용해 물로 수소를 생산하는 반응에 적용하자, 전달받은 빛의 40% 이상을 수소전환반응에 사용하는 높은 수소생산 성능을 확인할 수 있었다. 이는 지금까지 보고된 결과 중 가장 성능이 우수하지만 가격이 비싼 백금/이산화티타늄 광촉매와 비슷한 수준의 성능이었다.

해당 촉매는 값비싼 백금 대신 구리를 사용해 경제적이며, 반응에 쓰인 불균일촉매는 회수해 오랫동안 안정적으로 재활용할 수 있으므로 폐촉매가 발생하지 않아 친환경적이라는 장점도 있다.

이번 연구는 가장 이상적인 촉매인 효소와 유사하게 작동하는 불균일촉매를 세계 최초로 개발하고, 불균일촉매의 가장 큰 단점인 낮은 효율 문제를 해결했다는 데 큰 의미가 있다.

개발된 기술은 높은 효율, 낮은 가격, 친환경성이라는 세 마리 토끼를 모두 잡은 기술로 평가된다. 향후 수소생산은 물론, 촉매를 사용하는 다양한 화학공정에서도 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다.

현택환 IBS연구단장은 “개발된 촉매를 광촉매반응에 적용하면 상온·상압에서도 안정적이면서 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있게 된다”고 이번 연구의 의미를 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’ 4월 23일자 온라인판에 게재되었다.