“수소 생산 효율 33배 ↑”…물로 수소 만드는 친환경 광촉매 개발

수소 생산 효율을 기존보다 30배 이상 높일 수 있는 새로운 광촉매가 개발됐습니다.

현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단장 팀은 남기태 미래소재디스커버리연구단장(서울대 교수)·김형준 카이스트 교수팀과 함께 효소와 유사한 원리로 수소 생산 효율을 높일 수 있는 새로운 광촉매를 세계 최초로 개발했다고 밝혔습니다.

연구진은 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 위에 구리 원자를 올려서, 효소처럼 작동하는 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 개발했습니다. 효율이 높은 균일촉매와 저렴하고 재활용이 가능한 불균일촉매의 장점만을 결합한 새로운 촉매입니다.

(* 불균일촉매는 반응물과 생성물이 기체나 액체 상태인 것과 달리 고체 상태로 형태가 다른 것을 말합니다. 촉매와 반응물, 생성물이 동일한 형태로 용매에 녹아있는 균일 촉매와 구분됩니다.)

연구진은 개발된 촉매가 구리와 이산화티타늄이 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고, 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 사실을 밝혔습니다.

연구진은 개발한 촉매를 물과 메탄올을 섞은 용액에 넣어 수소를 발생시키는 방법으로 촉매 활성도를 측정했습니다.

상온과 상압에서 태양광을 모사한 빛을 쪼였더니, 구리/이산화티타늄 촉매는 빛 에너지의 40% 이상을 수소 전환에 사용했고, 기존 이산화티타늄 광촉매보다 시간당 33배 더 많은 수소를 생산해냈습니다. 기존에 성능이 가장 우수한 값비싼 백금/이산화티타늄 광촉매와 비슷하게 뛰어난 성능을 보였습니다.

현택환 단장은 "개발된 촉매를 물이 햇빛을 받아 수소를 생산하는 광촉매반응에 적용하면, 상온·상압에서도 안정적이고 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있게 되었다"고 밝혔습니다.

연구진은 새로운 촉매가 고체인 불균일 촉매인 만큼 다시 회수해 반영구적으로 사용할 수 있어 친환경적이라며, 이번 연구 결과가 수소 생산은 물론 촉매를 사용하는 화학 공정에서도 생산성을 향상할 수 있을 것으로 기대했습니다.

이번 연구 성과는 재료분야 최고 권위의 학술지 '네이처 머터리얼스(Nature Materials)' 온라인판에 23일 게재됐습니다.

[사진 출처 : 과학기술정보통신부 제공]