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  韓연구진, '물→수소' 광촉매 개발…가격·효율·환경 다 잡았다
  글쓴이 :      날짜 : 19-04-23 08:15     조회 : 68    

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IBS 연구진, 효소의 작동원리 닮은 고체촉매 개발
네이처 머터리얼스지 온라인판에 게재
수소 생산 효율, 기존보다 50% 이상 높인 광촉매
값비싼 백금·이산화티타늄 광촉매와 비등한 성능
수소경제 활성화 견인 기대【서울=뉴시스】이번 연구에 참여한 연구진의 모습. (왼쪽부터) 현택환 IBS 나노입자 연구단 단장(공동 교신저자), 이병훈 IBS 나노입자 연구단 연구원(공동 제1저자), 박승학 서울대 연구원(공동 제1저자), 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈 제어 소재 연구단 연구단장(공동 교신저자)의 모습. (사진=IBS 제공)

【서울=뉴시스】오동현 기자 = 국내 연구진이 세계 최초로 효소와 유사한 불균일촉매를 개발해 수소 생산 효율을 기존보다 50% 이상 높일 수 있는 새로운 광촉매를 개발하는데 성공했다.

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

이번 연구 성과는 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수) 연구팀과 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈 제어소재 연구단 단장(서울대 교수), 김형준 KAIST 교수팀이 공동으로 얻어낸 결과다.

연구 성과는 재료분야 최고권위의 학술지 네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF39.2)지 온라인판에 23일 0시(한국시간) 게재됐다.

연구진은 세계 최초로 우리 몸의 효소와 작동원리가 유사한 불균일촉매를 개발하고, 효율이 높은 균일촉매와 저렴하고 재활용 가능한 불균일촉매의 장점만을 결합한 새로운 촉매를 제조했다.

균일촉매(homogeneous catalyst)란 촉매가 반응물 및 생성물과 동일한 상(相)을 가질 때를 말하며, 촉매, 반응물, 생성물이 모두 다 용매에 녹아있다. 반면 불균일촉매(heterogeneous catalyst)는 반응물과 생성물이 기체나 액체상태인 것과 달리 고체상태로 상이 다르다.

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

효소는 주변 단백질과 수소를 주고받는 상호작용으로 주변 환경과 반응하기 가장 적합한 형태로 자신의 구조를 바꿔 촉매반응에 참여한다.

연구진은 개발된 촉매가 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 상호 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고, 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것을 밝혔다.

또 연구진은 개발된 촉매를 햇빛을 이용해 물로 수소를 생산하는 반응에 적용하고, 전달받은 빛의 40%이상을 수소전환반응에 사용하는 뛰어난 수소생산 성능을 확인했다. 이는 기존 성능이 가장 우수한 값비싼 백금/이산화티타늄 광촉매와 비등한 성능이다.

【서울=뉴시스】개발된 촉매를 이용해 수소를 생산하는 모습. (사진=IBS 제공)

값비싼 백금 대신 구리를 사용해 경제적일뿐 아니라, 반응에 쓰였던 불균일촉매는 다시 회수해 오랫동안 안정적으로 재활용할 수 있는 만큼 폐촉매가 발생하지 않아 친환경적이란 장점도 있다.

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

현택환 IBS연구단장은 "개발된 촉매를 물을 햇빛으로 수소로 생산하는 광촉매반응에 적용하면 상온·상압에서도 안정적이고, 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있게 됐다”고 연구의 의미를 밝혔다.

즉, 불균일촉매와 균일촉매의 장점만을 결합해 저렴한 가격으로, 효율과 안정성이 높고, 재활용까지 가능한 기존과 전혀 다른 혁신적인 촉매를 개발한 것이다.

개발된 촉매가 재활용 가능하다는 장점을 고려했을 때 다량의 반응물을 다루는 화학공장, 에너지 산업 등에 적용해 경제적 효과를 볼 수 있다. 특히 광합성 수소 생산에서 높은 생산 효율을 보이는 만큼, 수소 생산 공정에 적용해 수소경제 활성화를 견인할 수 있을 것으로 보인다.

현택환 단장은 "현 정부가 이야기 하는 수소경제는 크게 3가지로 나눠 설명할 수 있다. 먼저 수소를 값싸게 만들어야 하며, 옮기거나 이동할 수 있어야 하고, 연료장치로 수소자동차를 달리게 해야 한다"면서 이 기술이 지닌 활용성에 기대감을 전했다.

odong85@newsis.com

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불균일촉매 상용화 걸림돌인 효율성 높이는데 성공[서울신문]
수소차 이미지국내 연구진이 생체 속 효소와 비슷한 형태의 촉매를 만들어 수소생산 효율을 50% 이상 향상시킬 수 있는 기술을 개발해 주목받고 있다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단, 서울대 재료공학부, 카이스트 화학과 공동연구팀은 몸 속 효소처럼 주변 환경변화에 따라 최적화되는 불균일 촉매를 개발했다고 22일 밝혔다. 이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈’ 23일자에 실렸다.

에너지 산업 분야에서 다양한 촉매가 사용되고 있는데 현재는 대부분 균일촉매를 사용하고 있다. 균일촉매는 효율은 높지만 재활용이 어렵고 비용이 많이 들며 환경친화적이지 못하다는 단점이 있다. 반면 불균일촉매는 재활용이 가능하고 저렴하지만 효율이 낮다는 문제가 있다.

연구팀은 균일촉매와 불균일촉매의 장점을 결합한 새로운 촉매를 개발하기 위해 생체내 효소의 작동원리를 모방한 불균일촉매를 개발했다. 빛을 받으면 촉매작용을 하는 이산화티타늄 나노입자에 구리입자를 올려 효소처럼 단원자 구리-이산화티타늄 촉매를 만든 것이다.

이번에 개발한 촉매는 생체내 효소처럼 구리와 이산화티타늄이 전자를 주고 받는 상호작용을 통해 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것을 밝혀냈다. 보통 효소는 주변 단백질과 수소를 주고받는 상호작용을 통해 주변환경과 반응하기 적합한 형태로 자신의 구조를 바꿔 촉매반응에 참여한다는 특징이 있다.개발된 촉매를 이용해 수소를 생산하는 모습 - 개발한 단원자 구리-이산화티타늄 촉매를 수소 생산 반응에 적용해 실험하는 모습IBS 제공연구팀은 이번에 개발한 촉매로 햇빛을 이용해 물을 수소로 생산하는 반응에 적용시킨 결과 전달받은 빛의 40% 이상을 수소전환반응에 사용하는 뛰어난 수소생산성능을 확인했다. 이는 현재 가장 성능이 우수하다는 평가를 받는 백금, 이산화티타늄 광촉매와 비슷한 성능을 보였다. 더군다나 촉매 사용후 다시 회수해 재활용할 수 있어 폐촉매로 인한 환경오염 문제도 해결해줄 수 있는 것으로 분석됐다.

연구책임자인 IBS 나노입자연구단 현택환 단장은 “이번 연구는 불균열촉매의 작동원리를 원자적 수준에서 규명하고 생체효소와 비슷한 형태로 만들어 냈다는데 의미가 있다“며 “이번에 개발한 촉매를 이용하면 상용화의 걸림돌인 낮은 효율 문제를 해결해 수소 같은 친환경 에너지를 값싸고 효율적으로 이용할 수 있는 길이 열릴 것”이라고 설명했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr



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