폐플라스틱을 수소로 전환해 세계 최고 효율로 생산할 수 있는 원자 분산 촉매 합성법이 개발됐다. 이 합성법은 여러 종류의 금속 촉매와 산화물에 범용적으로 적용할 수 있어 다양한 분야에 폭넓게 쓰일 전망이다.
기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자 연구단장(서울대 석좌교수)이 이병훈 고려대 KU-KIST 융합대학원 조교수, 김민호 경희대 교수 연구팀과 공동으로 폐플라스틱의 98%를 수소로 전환할 수 있는 촉매 합성법을 개발했다고 6일 밝혔다.
촉매는 화학산업의 감초 역할을 한다. 백금을 비롯한 귀금속계 촉매는 성능이 매우 뛰어나지만 가격이 비싸 경제성이 떨어진다. 반응조건에 따라 금속 원자들이 구조적으로 불안정해져 성능을 온전히 발휘하지 못하기도 한다.
이로 인해 원자 하나하나가 모두 개별적으로 분산된 원자 분산 촉매가 주목받고 있다. 모든 백금 원자가 반응에 개별적으로 참여하면 촉매 활용도가 극대화되고, 적은 양의 귀금속만으로도 우수한 성능을 발휘할 수 있다. 원자 분산 촉매는 지지체의 표면에 금속 원자를 고정한 형태다. 하지만 합성 과정에 고온·고압의 조건이나 복잡한 합성과정이 필요한 단점이 있다.
연구팀은 상용 산화물로 쉽게 구할 수 있는 이산화티타늄을 지지체로 활용했다. 산화물에 태양빛을 쪼여 내부 산소 결함을 표면으로 이동시키고, 표면에 노출된 산소 결함을 금속의 결합 자리로 이용해 금속 촉매들을 지지체의 표면에 균일하게 결합하도록 구현했다.
마치 바둑판의 교차점에 바둑알을 놓듯 금속 촉매를 지지체 표면에 배열한 것이다. 연구팀은 빛을 이용해 수소를 발생시키는 반응에서 새롭게 합성한 원자 분산 백금과 이산화티타늄 촉매의 성능을 평가했다. 그 결과, 1g의 촉매로 1시간에 3.7ℓ의 수소를 생산하는 세계 최고 효율을 보였다. 이어 플라스틱에서 수소를 생산하는 반응에 새 촉매를 적용했다. 이 촉매는 40시간 동안 98%의 폐플라스틱을 수소로 전환했는데, 이는 기존 성능이 가장 우수하다고 보고된 촉매보다 10배 이상 수준이라는 게 연구팀의 설명이다.
현택환 IBS 나노입자 연구단장은 "별도의 전기에너지나 열에너지 투입 없이 태양에너지를 사용해 친환경적으로 고성능 원자 분산 촉매를 합성할 수 있는 새로운 합성법을 제시한 성과"라며 "사용하는 지지체와 금속 촉매 종류에 다라 광촉매, 열촉매 등으로 다양하게 합성할 수 있어 산업적 확장성이 뛰어나다"고 말했다. 이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 머티리얼스(6일)' 온라인에 실렸다.
이준기기자 bongchu@dt.co.kr
IBS 나노입자 연구단은 빛에너지를 이용해 다양한 금속 원자와 촉매 지지체를 이용해 원자 분산 촉매를 범용적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다. 사진은 촉매 합성법 모식도와 합성한 촉매의 전자현미경 모습. IBS 제공
