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KAIST, 수소 생산 백금 촉매 활용도 16배 높이다
백금촉매 활용도를 16배이상 향상시킨 KAIST 박진규 박사과정과 이진우 교수(오른쪽).(사진제공 KAIST)

물분해를 통해 수소를 얻는데 필요한 백금 촉매의 활용도를 기존대비 16배 이상 높일 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

KAIST(총장 신성철)는 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 전기화학적 물 분해(이하 수전해) 방식을 통해 수소를 생산하는 과정에서 쓰이는 백금의 사용을 최소화하면서 활용도는 16배이상 높일 수 있는 백금 기반 촉매를 개발했다고 4일 밝혔다.

연구팀은 백금의 활용도를 높이기 위해 백금을 단일원자 형태로 텅스텐 산화물 표면에 고분산 시켰다. 백금이 받는 지지체 효과를 극대화하기 위해서다.

이 연구에는 KAIST 박진규 연구원(박사과정)과 이성규 연구원(박사)가 공동 1 저자로 참여했다. 연구결과는 화학분야 국제 학술지‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’에 게재(8월 22일자)됐다.

백금 기반 촉매는 성능과 안정성이 높아 다양한 전기화학 촉매 분야에서 활용되고 있지만, 가격이 높아 상용화에 어려움이 있다.

이번에 KAIST가 개발한 단일 원자 촉매는 금속의 원자 하나가 지지체에 고분산된 형태로 제조된다. 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 활용에는 한계가 있었던 것이 현실이었다.

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.

KAIST 연구진이 수소생산 백금 촉매의 활용도를 16배 이상 높이는데 성공했다. 사진은 백금촉매를 이용한 수소생산 반응 모식도다. (자료사진 KAIST 제공)

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.

이 연구는 수전해 뿐만 아니라 연료전지 기술과 같은 다양한 전기화학 촉매 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다고 연구팀은 밝혔다.

박진규 연구원은 “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.

■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 산화물지지체 효과 조사)

박희범 기자  snews@s-news.kr

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