1년 이상 유지 가능한 백금 단일원자 촉매 개발

카이스트 연구팀, 관련 기술 내놓아

▲백금 단일원자.[사진제공=KAIST]

[아시아경제 정종오 기자] 1년 이상 유지 가능한 백금 단일원자 촉매가 개발됐다.

카이스트(KAIST, 총장 강성모) 생명화학공학과 최민기 교수, EEWS 대학원의 김형준 교수 공동 연구팀이 1년 이상 유지가 가능하고 과산화수소를 생산할 수 있는 단일 원자 크기의 백금 촉매 개발에 성공했다.

백금 고체 촉매는 산업계에서 많이 이용된다. 고가의 촉매 활성물질인 백금을 최대한 효율적으로 활용하기 위해 백금 촉매입자를 최대한 작게 합성하려는 연구가 많이 이뤄지고 있다.

과학계에서는 효율적 금속의 사용을 위해 가장 작은 구성원소인 단일 원자로 이뤄진 백금 촉매(10분의1 나노미터 수준)를 개발했다.

백금을 비롯한 모든 금속은 나노미터 수준에서는 매우 불안정하다. 이 때문에 특정 금속 산화물을 담지체로 사용해 백금 원자를 안정화해야 한다. 이 방법으로 합성된 촉매 또한 장기적으로는 안정성이 떨어지는 경우가 대부분이었다.

탄소 소재의 경우 전기전도성이 높고 저렴해 담지체로서 장점을 갖는데 금속을 안정화시키는 능력이 매우 떨어져 탄소 전극 위에서 백금을 합성시키기 어려웠다.

연구팀은 문제 해결을 위해 금속과 강하게 결합할 수 있는 황 원자를 이용했다. 제올라이트를 거푸집으로 사용해 황 원자가 다량으로 분포된 탄소 나노구조를 합성했다. 이 물질에 백금 촉매를 형성했을 때 단일 원자 형태로도 백금을 안정화시키는 것을 발견했다.

연구팀은 황과 결합된 이 탄소 소재가 일반적 촉매 합성 방법을 통해서도 백금이 단일 원자 크기로 존재하는 것을 확인했다. 또 기존의 단일 원자 촉매는 불안정성으로 인해 구조가 쉽게 변했는데 연구팀이 개발한 촉매는 상온에서 1년이 지난 후에도 대부분의 촉매가 단일 원자로 존재하는 안정성을 보였다.

최 교수는 "기존의 불균일계 촉매로는 불가능했던 특이 촉매 선택성을 구현할 수 있을 것으로 예상된다" 며 "다른 단일 원자 촉매 군에 비해 훨씬 높은 안정성을 가져 촉매 수명을 획기적으로 늘릴 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr