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IBS 나노입자연구단, 23일 네이처 머터리얼스 게재
물과 메탄올을 섞은 반응물에 개발된 '단원자 구리/이산화티타늄 촉매'를 넣고 빛을 가하면 수소가 생성된다. 사진 속 기포는 수소가 활발히 생성되고 있음을 보여준다.(IBS 제공)© 뉴스1(서울=뉴스1) 최소망 기자 = 국내 연구진이 물에 빛을 쪼여 수소를 분해할 수 있는 '광(光)촉매'의 효율을 33배나 높인 새로운 촉매를 개발했다. 기존 기술보다 뛰어난 수소 생산율을 보이면서도 가격은 보다 저렴하고 분해과정도 환경에 유해하지 않아, 차세대 에너지원으로 꼽히는 수소를 안정적으로 공급하는 데 활용될 수 있을 전망이다.
과학기술정보통신부는 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연단장 연구팀·남기태 서울대 재료공학부 교수 연구팀이 효소와 유사한 불균일촉매인 '단원자 구리·이산화티타늄 촉매'를 세계 최초로 개발했다고 23일 밝혔다.
이 촉매를 물에 넣고 빛을 쪼이면 기존 촉매보다 빛 에너지의 40% 이상을 수소전환 반응에 사용한다. 이는 기존 순수 이산화티타늄보다 33배 향상된 수소 생산 능력이다.
특히 새로 개발한 촉매는 값싼 구리와 티타늄을 사용하기 때문에 원재료 비용은 거의 들지 않을만큼 저렴하면서도 기존에 값비싼 백금과 이산화티타늄 광촉매를 사용했을때보다 1.5배 뛰어난 성능을 보인다.
이처럼 효율이 높고 저렴한 촉매를 연구진이 만들 수 있었던 이유는 '균일촉매'와 '불균일촉매'의 장점만을 취합해 새로운 촉매를 만들었기 때문이다.
균일촉매는 촉매·반응물·생성물이 모두 다 용매에 녹아있어 효율이 높으나 생산단가가 비싸고, 재활용이 어려워 친환경적이지 못하다는 단점이 있다. 반면 고체형태의 불균일촉매는 생산비용이 싸고 재활용이 가능하지만 효율이 낮다는 한계가 있다.
연구진은 이의 장점만 결합하기 위해 생명체 속 '효소'(enzyme)의 작동원리를 적용해 분자구조로 변환해 촉매를 구성했다.
효소는 수천만년에 걸쳐 자연적으로 발전한 촉매로, 생체 내에서 산화와 환원 반응을 통해 주변 단백질과 전자를 주고 받으며 상호작용한다. 이때 자신의 구조를 유연하게 바꾸면서 특정 단백질에 선택적으로 반응해 높은 효율을 보이는 특징이 있다.
연구진이 개발한 촉매는 효소의 구조 원리와 유사하게 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자 위에 구리(Cu) 원자 한 개를 올린 형태다. 이론연구를 통해 구리원자를 올렸을 때 열역학적으로 가장 안정적인 상태를 유지할 수 있는 위치를 확인했고, 이어 해당 위치에 구리 단원자를 올려 '단원자 구리·이산화티타늄 나노촉매'를 제조했다.
단원자 촉매는 원자 하나하나가 모두 촉매반응에 참여해 기존 덩어리 촉매보다 가격 대비 촉매 효율성이 수십 배 이상 높다. 또 연구진은 개발된 촉매가 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것도 확인했다.
현재 수소 생산 규모는 실험실에서 생산하는 수준에 그친다. 1시간동안 촉매 1g당 수소 30mg을 생산할 수 있는 수준이다. 수소자동차의 경우 약 5kg 정도의 수소가 공급돼야 실제 운행이 가능하다는 점을 감안했을 때, 현재 실험실에서 제작하는 수준인 촉매를 산업에 적용하고 상용화 할 수 있을만큼 확대하려면 촉매 기술 뿐만 아니라 수소를 저장하고, 이동시킬 수 있는 기술이 동반개발 돼야 한다는 것이 연구진의 설명이다.
현택환 단장은 "가장 이상적인 촉매인 효소와 유사하게 작동하는 불균일촉매를 세계 최초로 개발하고, 불균일촉매의 가장 큰 단점인 낮은 효율 문제를 해결했다는데 큰 의미가 있다"고 말했다..
이번 연구 성과는 23일 '네이처 머터리얼스'(Nature Materials) 온라인판에 실렸다.
현택환 IBS 나노입자연구단 연구단장과 남기태 서울대 재료공학부 교수가 물에 빛을 쪼여 수소를 만들어 낼 수 있는 '단원자 구리/이산화티타늄 촉매'에 대해 브리핑을 하고 있다© 뉴스1somangchoi@news1.kr
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S. Korean scientists develop efficient, cheap way to make hydrogen from water
SEOUL, April 23 (Yonhap) -- South Korean scientists on Tuesday said they have developed an efficient and affordable way to make hydrogen, opening new potential for the production of the clean energy resource.
The researchers led by Hyeon Taeghwan, director of the Center for Nanoparticle Research at the Institute for Basic Science, and Seoul National University (SNU) professor Nam Ki-tae said they have, for the first time ever, successfully created a single atom heterogeneous catalysis that mimics enzymes used by the human body to convert water into hydrogen using regular light.
The process using copper and titanium dioxide as catalyst material has been published in the latest issue of Nature Materials under the title "Reversible and cooperative photoactivation of single atom copper-titanium dioxide photocatalysts."
This photo provided by the Institute for Basic Science shows hydrogen being created from water in a lab using light from a solar simulator and a single-atom heterogeneous catalyst. (Yonhap)"The newly created platform technology utilizes copper atoms placed over nano titanium dioxide particles to create a catalyst that acts like an enzyme in creating hydrogen under normal atmospheric pressure and at room temperature," said Hyeon, who is also a distinguished professor at SNU.
Experiments showed a gram of the material used in the catalyst can create 30 milligrams of hydrogen per hour under good lighting.
Hydrogen is expensive to make despite accounting for the bulk of the mass in the known universe. If it can be made economically, the resource can solve many of the world's energy needs. The global market size for hydrogen was estimated at over US$115 billion in 2017.
Hyeon said that at present, most hydrogen is made through a methane reformation technique that is criticized for being energy-intensive, uses fossil fuel and releases greenhouse gases into the air.
The latest findings show the new method can harness more than 40 percent of the light used into a hydrogen transformation reaction, which is on par with the efficiency level of catalysts that use extremely expensive platinum.
The platinum-titanium dioxide method is regarded as the most efficient way to retrieve hydrogen from water using light.
The research team, which also includes Kim Hyungjun from the Korea Advanced Institute of Science and Technology, said the new copper-titanium dioxide catalyst can produce 33 times more hydrogen compared with just using titanium dioxide.
It said with more work, the technology can be further developed down the road for industrial level production although such a process could take time.
yonngong@yna.co.kr
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