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이진우 교수, 백금 활용도 16배 높인 단일 원자 촉매 개발
〈 박진규 박사과정, 이진우 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 전기화학적 물 분해(이하 수전해) 방식을 통해, 수소를 생산하는 과정에서 쓰이는 백금의 사용을 최소화하면서 뛰어난 성능을 보여 활용도를 16배 높일 수 있는 백금 기반 촉매를 개발했다.
연구팀은 백금의 활용도를 높이기 위해 백금을 단일원자 형태로 텅스텐 산화물 표면에 고분산 시켜 백금이 받는 지지체 효과를 극대화했고, 수소 생산 수전해 촉매에서 높은 성능을 구현했다.
박진규 박사과정과 이성규 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 세계적 화학지인‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 8월 22일 자에 게재됐다. (논문명 : Investigation of Support Effect in Atomically Dispersed Pt on WO3-x for High Utilization of Pt in Hydrogen Evolution Reaction, 수소 생산 반응에서 백금 활용도를 높이기 위해 백금 유사-단일 원자 촉매를 담지한 텅스텐 산화물 지지체 효과 조사)
백금 기반 촉매들은 성능과 안정성이 높아 다양한 전기화학 촉매 분야에서 활용됐지만, 가격이 높아 상용화에 어려움이 있었다.
단일 원자 촉매는 금속의 원자 하나가 지지체에 고분산된 형태의 촉매로, 모든 금속 단일 원자가 반응에 참여하기 때문에 백금의 사용량을 현저히 낮출 수 있다. 하지만 대부분의 연구가 탄소 기반 지지체에 담지된 단일 원자 촉매를 적용하고 있어 백금 활용성에 한계가 있다.
연구팀은 이번에 백금과 강한 시너지 효과를 낼 수 있는 메조 다공성 텅스텐 산화물을 단일 원자 촉매의 지지체로 사용했다. 이를 통해 백금 단일 원자를 텅스텐 산화물에 담지했을 때, 텅스텐 산화물에서 백금 단일 원자로 전하 이동이 일어나 백금의 전자구조가 변하는 것을 확인했다.
또한, 단일 원자 촉매가 갖는 ‘금속과 지지체간의 경계면 극대화’라는 독특한 특징을 활용해 백금 나노입자를 텅스텐 산화물에 담지한 촉매와 비교 실험을 진행했다.
연구팀은 실험을 통해 백금 표면에서 다른 지지체 표면으로 수소가 넘어가는 현상인 수소 스필오버 (Hydrogen spillover)가 크게 발현됨을 확인했다. 이를 통해 기존 상용 백금 촉매의 사용량을 16분의 1로 현저히 줄일 수 있었다.
해당 연구는 수전해 뿐만 아니라 연료전지 기술과 같은 다양한 전기화학 촉매 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다고 연구팀은 밝혔다.
이 교수는 “이번에 개발한 촉매는 기존 단일 원자 촉매 연구와 다른 관점에서 접근한 연구로 학술적으로 이바지하는 바가 크다”라며 “이번 연구를 통해 단일 원자 촉매 개발의 독보적인 기술을 확보했다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 기후변화대응기술개발사업, 미래소재디스커버리사업의 지원을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 유사 단일원자 촉매의 수소생산반응 모식도
2019.10.04 조회수 13606 -
모델 촉매 시스템을 이용한 스필오버 현상 규명
- 새로운 메커니즘의 상업촉매 개발을 위한 원천기술 확보 -
1960년대 초 발견된 이래 오늘날까지도 학계에서 논란이 되고 있는 물리학적 현상이 KAIST 연구진에 의해 세계 최초로 규명됐다.
KAIST(총장 강성모) 생명화학공학과 최민기(34) 교수팀은 비결정질 알루미노실리케이트 내부에 백금이 선택적으로 위치한 모델 촉매 시스템을 개발해 ‘스필오버(spillover)’ 현상을 규명했다.
연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 25일자 온라인 판에 실렸다.
스필오버 현상은 백금과 같은 금속 표면에서 활성화된 수소원자가 촉매 표면으로 이동하는 현상이다.
이 현상을 이용하면 높은 활성과 안정성을 갖는 촉매를 설계하는데 이용될 수 있을 것이라고 믿어져 지난 50여년간 촉매 분야에서 활발히 연구됐다.
하지만 기존에 알려진 촉매들의 경우에는 노출된 금속 표면에서 여러 가지 다른 경로로 경쟁반응이 일어나기 때문에 스필오버의 존재 및 생성 메커니즘을 직접적으로 규명하는 것이 불가능했다.
연구팀이 개발한 촉매는 백금 나노입자가 수소 분자만 통과할 수 있는 알루미노실리케이트로 덮여있어 다른 경쟁 반응들이 일어나는 것을 원천 차단, 스필오버 현상을 효과적으로 연구하는데 이용할 수 있었다.
연구팀은 촉매에 대한 다양한 구조분석, 촉매 반응성 분석, 컴퓨터 모델링을 통해 알루미노실리케이트에 존재하는 브뢴스테드 산점이 스필오버에 결정적인 역할을 함을 밝혀냈다.
그동안 학계에서 50여년간 정립되지 않은 ‘스필오버’라는 현상을 최초로 규명했다는 점에서 학술적으로 큰 영향력을 발휘할 수 있을 것으로 기대된다.
이와 함께 이번 연구에서 제안된 스필오버에 기반한 수소화 촉매의 경우 높은 수소화·탈수소화 활성을 보임과 동시에 석유화학공정에서 일반적으로 원치 않는 부반응인 수소화 분해(hydrogenolysis) 반응을 확연하게 억제할 수 있다는 점에서 산업적으로도 그 잠재력이 매우 크다고 연구팀은 전했다.
최민기 교수는 “스필오버 현상만으로 반응이 진행되는 해당 촉매의 경우 촉매구조를 적절하게 설계하면 기존 금속촉매를 훨씬 능가하는 촉매를 구현할 수 있을 것”이라며 “향후 높은 활성 및 선택성을 가지는 꿈의 촉매를 만들 것”이라고 말했다.
SK이노베이션 오승훈 수석연구위원은 “촉매계의 오랜 논쟁거리였던 스필오버 현상을 이론과 실험을 통해 규명하고 이에 대한 이해를 높였다는 점이 이번 연구의 가장 큰 성과”라며 “SK이노베이션에서는 이번 연구를 통해 확보한 기술을 바탕으로 새로운 상업촉매 개발 연구를 계속할 것”이라고 말했다.
SK이노베이션(대표 구자영)과 미래창조과학부의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 KAIST 최민기 교수 지도아래 임주환 연구원, 신혜영 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며 EEWS 대학원 김형준 교수가 컴퓨터 모델링을 수행했다.
2014.02.26 조회수 17000