수소차 경제성 확보되나...포스텍 연구진 수전해-수소발생 반응 효율 크게 향상

삼금속 하이브리드 나노촉매의 수소 발생 기작도. <포스텍 제공>

국내 연구진이 두 가지 금속이 위치 선택적으로 증착된 백금 나노촉매를 개발해 친환경 에너지원인 수소 생산의 효율을 높였다.

이번 연구는 화학 분야에서 영향력이 높은 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'지에 게재됐으며, 포스텍 화학과 이인수 교수·수맨 두타(Soumen Dutta) 연구교수·통합과정 구병수 씨 연구팀이 참여했다.

27일 포스텍에 따르면 수 나노미터(nm) 크기의 촉매 표면의 특정한 위치에 다른 물질을 선택적으로 증착시키는 것은 매우 어렵다. 의도하지 않은 위치에 증착된 물질이 오히려 촉매 활성 자리를 막거나 서로의 기능을 방해할 수 있기 때문이다.

연구팀은 자체적으로 개발한 나노반응기를 이용해 2차원 형태의 판상형 나노결정 위에 증착되는 금속의 위치를 미세하게 제어했다. 그리고 이를 통해 2차원 백금 나노결정의 여러 결정면에 각기 다른 물질로 도포할 수 있는 나노 스케일 미세증착 공정을 개발했다.

연구팀은 이를 바탕으로 연속적 증착 방법을 통해 2차원 백금 나노결정의 평면과 가장자리에 각각 팔라듐과 니켈 나노 박막이 선택적으로 도포된 형태의 '백금-니켈-팔라듐' 삼금속 하이브리드 촉매 물질을 합성했다.

하이브리드 촉매의 서로 다른 위치에 구획돼 형성된 니켈/백금과 팔라듐/백금 계면은, 각각 물 분자 분해 과정과 수소 분자 생성 과정을 촉진해두 과정이 협동적으로 일어나는 수전해-수소발생 반응의 효율을 크게 향상시켰다.

실험 결과, 삼금속 하이브리드 나노촉매는 기존의 백금-탄소 촉매에 비해 약 7.9배 향상된 활성을 보였다. 또, 50시간 정도의 오랜 반응에서도 활성을 유지하며 높은 안정성을 보였다. 기존의 하이브리드 촉매들이 지녔던, 이종 계면들 사이의 기능적 간섭이나 충돌의 문제를 해결한 것이다.

이인수 교수는 "공정상의 어려움을 극복하고, 하이브리드 물질에서 이종 계면을 결합하는 데 성공했다"며, "수소 반응에 최적화된 촉매 재료 개발에 널리 적용되기를 바란다"는 기대를 전했다.

전준혁기자 jjh@yeongnam.com

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