나노구조물리연구단 이효영 부연구단장. [사진=IBS]
나노구조물리연구단 이효영 부연구단장. [사진=IBS]

[이뉴스투데이 전한울 기자] 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 이효영 부연구단장 연구팀은 단일 원자 2개를 합성해 기존보다 4배 싼 단일 금속 원자 이합체 촉매를 개발했다고 22일 밝혔다. 

어떤 성질의 물에서도 수소 생산이 가능하고 기존에 비해 장시간 작동이 가능하다. IBS는 이를 통해 친환경적인 방법으로 저렴하게 상업용 고순도 수소를 생산할 수 있어 수소 생산 방식에 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대하고 있다.  

친환경 미래 연료로 각광받는 수소는 물에서 얻을 수 있어 관련 연구가 활발하다. 이산화탄소를 배출하지 않는 수소생산방식은 물을 전기분해 해서 수소를 만드는 수전해 방식이 유일하다. 

친환경적이지만 생산비용을 낮추는 것이 관건이다. 생산 효율을 높여줄 촉매가 아직 비싸기 때문이다. 

귀금속 백금(Pt) 촉매는 산성, 알카리성 등 물의 성분과 상관없이 수소를 생산할 수 있지만 소재가 백금이여서 단가가 비싸고 장기간 작동시 안정성이 좋지 않은 한계가 있다.

연구진은 저렴한 전이 금속인 코발트와 니켈을 이용해 이합체를 구현하며 그 한계를 극복해냈다. 모든 물에서 사용 가능한 질소 도핑된 탄소 지지체에 단일원자를 니켈-코발트 이합체 구조로 안정적으로 합성했다. 

연구진은 니켈과 코발트가 단일원자로 존재할 때보다 수소 발생 효과가 저조했으나, 두 개의 단일 원자가 합쳐진 이합체 구조일 때 시너지 효과를 내며 수소 생산 효과가 극대화되는 것을 발견했다. 

또한 코발트-망간과 코발트-철과 같은 다른 이합체를 동일한 방법을 사용해 합성시켰다. 

연구팀은 단일원자 니켈-코발트 이합체 전기 촉매가 백금촉매와 비슷한 전압으로 수소 생산이 가능함을 확인했다. 24시간만 안정적인 기존의 백금 촉매에 비해 단일원자 니켈-코발트 이합체는 구조의 변화 없이 50시간 사용 가능한 것도 발견했다.    

연구팀은 이론상으로만 존재 했던 구조를 실현시키며 저렴하면서도 기존의 귀금속 백금 촉매의 장점을 가진 새로운 촉매를 개발했다. 

이번 연구는 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈’지에 지난 19일 온라인 게재됐다. 
 

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