효소 닮은 ‘불균일촉매’ 세계 첫 개발…수소 생산 효율 50%↑

개발된 촉매를 이용해 수소를 생산하는 모습<br><br>개발한 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 수소 생산 반응에 적용했다. 물과 메탄올을 섞은 반응물에 개발된 촉매를 넣고 빛을 가하면 수소가 생성된다. 연구진이 개발한 촉매는 기존 촉매 대비 수소생산 효율을 33배나 높였다. 사진 속 기포는 수소가 활발히 생성되고 있음을 보여준다/사진=IBS

생명체가 제한된 식량에서 풍부한 에너지를 얻을 수 있는 원동력은 효소다. 생체촉매인 효소는 수천만 년에 걸쳐 점점 더 효율적으로 에너지를 전환하도록 발전해 왔다. 에너지 산업에서도 ‘저비용 고효율’ 발전을 위해 효소의 작동원리를 닮은 저렴한 촉매가 필요했다.


기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수) 연구팀, 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈 제어소재 연구단 단장(서울대 교수) 연구팀, 김형준 카이스트(KAIST) 교수팀으로 이뤄진 공동연구팀이 효소와 유사한 '불균일촉매'를 세계 최초로 개발했다고 23일 밝혔다. 수소 생산 효율을 기존보다 50% 이상 높일 수 있는 새로운 광촉매이다.

연구진에 따르면 우리 몸의 효소와 작동원리가 유사한 불균일촉매를 개발하고, 효율이 높은 균일촉매와 저렴하고 재활용 가능한 불균일촉매의 장점만을 결합한 새로운 촉매를 제조했다.

연구진은 “현재 많이 사용되는 균일촉매는 효율이 높지만 재활용이 어려워 환경 친화적이지 않고, 불균일촉매는 재활용이 가능하고 저렴하지만, 효율이 낮다는 문제가 있었다”며 “균일촉매와 불균일촉매의 장점만을 결합한 새로운 촉매를 개발하기 위해 효소의 작동원리를 모방한 불균일촉매 개발한 것”이라고 설명했다.

균일촉매는 촉매가 반응물 및 생성물과 동일한 상(相)을 가질 때를 말한다. 촉매와 반응물, 생성물이 모두 다 용매에 녹아있다. 반면 불균일촉매는 반응물과 생성물이 기체나 액체상태인 것과 달리 고체상태로 상이 다르다.

효소는 주변 단백질과의 상호작용을 통해 자신의 모습을 바꿔 활성점을 만들고, 이 활성점을 중심으로 특정 물질과만 선택적으로 높은 효율로 반응한다. 연구진은 이에 착안, 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 니노입자 위에 구리 단원자를 올려서, 효소처럼 작동하는 단원자 구리·이산화티타늄 촉매를 개발했다.

단원자 구리/이산화티타늄 촉매 설계 과정<br><br>연구진은 이산화티타늄 광촉매 위에 구리 단원자를 가장 안정적으로 올릴 수 있는 위치를 이론적으로 파악했다. 이후 이산화티타늄 층에 구리를 얹고, 열적으로 안정한 이산화실리콘으로 감싼 뒤 고온에서 열처리해 촉매를 완성했다/사진=IBS

연구진은 개발된 단원자 구리·이산화티타늄 촉매에 빛을 가하면, 이산화티타늄과 구리가 전자를 주고받는 상호작용을 하고, 이 과정에서 구리가 이산화티타늄의 구조를 가역적으로 바꾼다는 것을 확인했다. 이는 가역적인 변화로, 촉매반응이 끝나면 이산화티타늄은 본래의 모습으로 돌아온다. 구리 단원자는 의사소통의 매개체이자 촉매의 효율을 더 높이는 역할을 한다. 각각의 단원자는 모두 촉매로 작용하기 때문에 기존 덩어리 형태(벌크)의 촉매에 비해 효율성이 높아진다.

이후 연구진은 개발한 촉매를 광합성 수소 생산 반응에 적용했다. 물과 메탄올을 이용해 수소를 생산하는 반응에서 새로운 촉매는 가해진 빛 에너지의 40% 이상을 수소 전환에 사용하는 뛰어난 생산 효능을 보였다. 이는 지금까지 가장 효율이 좋은 값비싼 백금·이산화티타늄 광촉매와 비슷한 효율임을 보여준 것이다.

값비싼 백금 대신 구리를 사용해 경제적인 동시에 반응에 쓰인 불균일촉매는 다시 회수해 오랫동안 안정적으로 재활용할 수 있는 만큼 폐촉매가 발생하지 않아 친환경적이라는 장점도 있다.

이번 연구는 불균일촉매의 가장 큰 단점인 낮은 효율 문제를 해결했다는 데 큰 의미가 있다. 향후 수소생산은 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학공정에서도 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다.

현택환 단장은 “개발된 촉매를 물을 햇빛으로 수소로 생산하는 광촉매반응에 적용하면 상온·상압에서도 안정적이고, 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있게 됐다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스’ 온라인판에 게재됐다.