수소 생산용 백금 사용량 10분의 1…성능은 유지
수소 생산에 쓰는 귀금속 촉매의 핵심 원료인 백금 사용량을 기존 대비 10분의 1로 줄이면서도 최고 수준의 수소 생산 성능을 구현하는 기술이 나왔다. 과학기술정보통신부는 서울대 화학생물공학부 박정원 교수팀이 미국 스탠퍼드대 연구팀과 공동으로 차세대 백금 클러스터 촉매를 개발했다고 29일 밝혔다. 연구 성과는 세계 최고 권위 국제학술지 사이언스(Science)에 게재됐다.
수소는 탄소중립 에너지원으로 주목받지만, 이를 대량 생산해 운송하거나 액체 연료처럼 다루려는 과정에는 난제가 따라붙는다. 특히 액상유기수소운반체(LOHC) 같은 방식을 통해 수소를 “운반”하려면, 다시 수소를 추출하는 단계에서 비싼 귀금속 촉매가 필요하다는 점이 비용과 확장성의 걸림돌로 지적돼 왔다.
원자 단위 정밀 제어로 ‘백금의 효율’ 끌어올려
이번 연구팀이 제시한 핵심 전략은 백금을 단순히 촉매 표면에 올리는 방식을 넘어, 백금 원자 주변의 특정 화학 물질을 제거한 뒤 백금 원자를 지지체에 직접 결합시키는 것이다. 연구진은 백금 원자가 지지체 위에서 가장 안정한 위치를 찾도록 유도한 다음 수소 처리를 거쳐, 1㎚(나노미터) 크기 규모의 백금 원자 뭉치(클러스터)를 균일하게 만드는 구조를 구현했다.
이 과정에서 백금 원자 뭉치의 효율이 올라가는 동시에, 지지체에 단단히 고정돼 내구성도 개선된 것으로 설명된다. 결과적으로 수소 추출 반응에 해당 촉매를 적용했을 때, 백금 사용량은 10분의 1로 줄었는데도 수소 생산량과 촉매 수명은 오히려 향상됐다.
“겉으론 비슷해도, 원자 수가 달랐다”
연구진은 전자현미경 분석을 통해 또 하나의 중요한 사실도 밝혀냈다. 기존에는 겉보기 크기가 비슷한 촉매 입자는 성능도 비슷하다고 여겨지는 경향이 있었지만, 실제로는 비슷해 보이는 백금 원자 뭉치라도 구성 원자 수가 13~31개까지 달라질 수 있다는 것이다.
특히 연구팀은 원자 개수(클러스터의 크기)가 수소 생산 성능과 내구성을 좌우하는 핵심 요인임을 실험과 분석을 통해 보여줬다. 즉, 촉매의 ‘크기’라는 겉치레 지표보다 원자 단위의 정밀 구조를 얼마나 잘 제어하느냐가 성능 차이를 만든다는 점이 입증된 셈이다.
실험실 대량 합성 가능성도…수소경제 확장 관건
연구팀은 개발한 백금 클러스터 촉매가 실험실 규모에서 수십 그램 단위 합성이 가능하며, 비교적 대량 공정으로의 전환 가능성도 확인했다고 밝혔다. 또한 백금 원자 한 개가 초당 약 160개 수소 분자를 생산하는 수준이라고 연구진은 설명했다. 이는 기존 촉매들과 비교해도 최고 수준이라는 평가다.
이번 연구는 서울대와 스탠퍼드 연구진이 과기정통부의 ‘탑티어 연구기관 간 협력플랫폼 구축 및 공동연구 지원’ 사업을 통해 추진해온 협력 흐름 속에서 이뤄졌다. 과기정통부는 서울대 측이 촉매 제조와 구조 규명, 반응 성능 검증을 맡았고, 스탠퍼드 측이 백금 원자 개수와 수소 생산효율 간 관계를 계산하는 역할을 수행했다고 밝혔다.
이제는 ‘재현성’과 ‘상용 공정’이 관건
이번 성과가 의미 있는 이유는 단순히 “더 잘 되는 촉매”를 넘어, 귀금속 사용량을 대폭 줄일 수 있는 구조 설계 원리를 제시했다는 점에 있다. 수소 경제의 확장에는 생산 비용이 직결되기 때문에, 백금과 같은 고가 촉매의 절감은 상용화에서 특히 중요하다.
다만 향후 연구와 기술 이전 단계에서는 실험실 성능을 실제 공정 조건에서 얼마나 안정적으로 재현할 수 있는지, 또 대량 생산 과정에서 원자 단위 구조 제어가 지속 가능한지 등이 관건이 될 전망이다. 학계에서는 이번 접근이 촉매 플랫폼으로 확장될 수 있을지 주목하고 있다.
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