연구성과

화공 한정우 교수 공동연구팀, “몸값 비싼” 금속 촉매, ‘결함’ 있는 지지체로 효율 높인다

2019-01-28 273

[POSTECH-KAIST 공동연구팀, 단일원자촉매 설계 높일 기술 제안]

연구성과_상세_한정우교수

금, 백금은 아름다운 광택을 가지고 있으면서도 산출량이 적어 ‘비싼 몸값’을 자랑하는 귀금속이다. 한편으로, 이런 귀금속은 대기 중에서 안정된 상태를 유지하고 있어, 다양한 화학 촉매로도 활용되고 있다. 차량 배기관에 백금촉매를 설치하면, 일산화탄소나 탄화수소 등 배기가스를 이산화탄소, 물 등으로 정화해주는 역할을 하기도 하고, 용수나 폐수 처리에도 사용할 수 있다. 하지만 촉매를 이용한 기술 상용화에는 항상 골칫거리가 뒤따른다. 바로 금속의 ‘가격’이다.

화학공학과 한정우 교수팀과 KAIST 생명화학공학과 이진우, 이현주 교수팀은 TiC 금속 지지체 위에서 전이금속 단일원자들의 안정성 유지를 연구, 귀금속 단일원자 촉매를 더욱 효율적으로 활용할 수 있는 기술을 개발, 에너지 분야 권위지 ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters) 1월호를 통해 발표했다. 온라인에 우선 공개된 이 논문은 ‘2018년 12월 가장 많이 읽은 논문(the most read articles)’에 선정되기도 했다.

보통 화학반응에 활용되는 촉매는 귀금속을 이용하는데, 가격이 비싸 관련 기술 상용화에 어려움을 겪는다. 그런 가운데 단일원자로 이루어진 촉매는 지지체에 금속을 모두 분산시켜 효율성을 높여 가격을 최대한 낮출 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 그러나, 화학 반응 이후에도 촉매의 성질은 변화되어서는 안되지만, 단일원자를 이용하면 응집하려는 경향이 있어 실제로 활용하기에는 어려움이 있었다.

연구팀은 계산화학 기반 컴퓨터 모델링을 통해 약간의 결함이 있는 TiC 지지체가 단일원자의 안정성을 유지해줄 수 있음을 예측, 실제 실험에 들어갔다. 그 결과 실제로 단일원자는 TiC 지지체에서 안정성을 유지했을 뿐 아니라, 다양한 금속 중 백금과 금의 단일원자 촉매가 수소 생성 반응이나 선택적 산소환원 반응에서 특히 뛰어난 효율을 보였다.

한정우 교수는 “수소생성 반응은 물론 친환경적 화학제품 합성, 펄프, 제지 제조, 전기‧전자산업까지 화학촉매는 광범위하게 사용되고 있지만 값이 비싸 상용화에 큰 걸림돌 중 하나였다”며 “단일원자 촉매는 100%에 가까운 거의 모든 원자를 활용해 효율적으로 촉매를 사용할 수 있고 사용량도 줄여 비용을 낮추는데 기여할 것으로 기대된다”고 설명했다.

한편, 이 연구성과는 삼성전자 미래기술육성센터, 한국연구재단 글로벌프론티어 사업, 한국연구재단 중견연구자지원 사업의 지원으로 수행되었다.