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1년 이상 안정성 유지되는 백금 단일원자 촉매 개발

KAIST 연구진 "황·탄소 결합 백금촉매로 과산화수소 생산"

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 화학산업 원료로 쓰이는 과산화수소(H₂O₂)를 생성하는 화학반응을 효율적으로 촉진하면서 1년 이상 안정성이 유지되는 백금 단일 원자 촉매를 국내 연구진이 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 14일 생명화학공학과 최민기 교수와 EEWS 대학원 김형준 교수 연구팀이 1년 이상 안정적으로 유지되면서 과산화수소를 생산할 수 있는 단일 원자 크기의 백금 촉매를 개발했다고 밝혔다.

백금 단일 원자 촉매에서의 과산화수소 생성 반응 모식도(회색: 탄소, 흰색: 수소, 황색: 황, 보라색: 백금) [KAIST 제공]

백금 고체 촉매는 산업계에서 널리 이용되지만 고가여서 백금을 최대한 효율적으로 활용하기 위해 촉매 입자를 가능한 한 작게 합성하는 연구가 이뤄지고 있다. 과학계에서는 금속의 효율적인 사용을 위해 가장 작은 구성원소인 원자로 된 백금 촉매(크기 0.1나노미터 수준)를 개발했다.

그러나 백금 등 모든 금속은 나노미터 수준에서는 매우 불안정해 특정 금속 산화물에 백금 원자를 결합해 안정화하는 방법이 사용되는데 이 방법으로 합성된 촉매도 장기적으로 안정성이 떨어지는 문제가 있다.

이런 문제를 해결하기 위해 전기전도성이 높고 저렴한 탄소 소재를 담지체로 사용하는 연구가 진행되고 있지만 탄소 소재는 금속을 안정화하는 능력이 매우 떨어져 탄소 전극 위에서 백금을 합성하기 어려웠다.

연구진은 탄소에 금속과 강하게 결합하는 황(S)을 첨가해 백금 원자의 안정성을 높이는 데 성공했다. 먼저 제올라이트를 거푸집으로 사용해 황 원자가 다량 분포된 탄소 나노구조를 합성하고 여기에 백금 촉매를 형성하면 백금이 단일 원자 형태로도 안정화된다는 사실을 발견한 것이다.

이 방법으로 제조된 촉매에서는 백금이 단일 원자 크기로 존재하는 것이 확인됐고, 기존 단일 원자 촉매는 불안정성으로 인해 구조가 쉽게 변했지만 이 촉매는 상온에서 1년이 지난 후에도 대부분의 촉매가 단일 원자로 안정적으로 존재하는 것으로 나타났다.

또 일반적인 단일 원자 백금 촉매는 수소와 산소를 이용해 연료 전지 기술에 적용하면 대부분 물(H₂O)이 생성되지만 연구진이 개발한 단일 원자 백금 촉매는 고부가가치 물질인 과산화수소가 95% 이상의 선택도로 생성되는 것으로 확인됐다.

최민기 교수는 "이 기술을 이용하면 기존 불균일계 촉매로는 불가능했던 선택성이 높은 촉매를 구현할 수 있을 것으로 예상된다"며 "다른 단일 원자 촉매군보다 안정성이 훨씬 높아 촉매 수명을 획기적으로 늘릴 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications, 3월 8일자) 온라인판에 게재됐다.

한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 최민기 교수(왼쪽)와 EEWS 대학원 김형준 교수

scitech@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>2016/03/14 10:57 송고

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