"값비싼 귀금속 촉매 대체 가능…높은 효율·안정성 확보"

[연구진] 왼쪽부터 류정기 교수, 제 1저자 김현구 연구원, 제 1저자 전다솜 연구원. UNIST 제공

◆UNIST·KAIST "그린수소 더 저렴하게 생산하는 촉매 개발"

그린수소를 더 값싸고 친환경적으로 생산할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

11일 울산과학기술원(UNIST)에 따르면 에너지화학공학과 류정기 교수와 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 서동화 교수 공동연구팀은 높은 효율과 안정성을 가진 고순도 그린수소 생산용 이기능성(Bifunctional) 수전해 촉매를 만들었다. 수전해는 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 기술로, 수소 생산 과정에서 탄소 배출 없이 친환경으로 수소를 생산할 수 있어 탄소중립 사회를 위한 차세대 기술로 꼽힌다.

그림. 개발된 RuSiW 촉매의 투과전자현미경 사진(좌), 원소매핑이미지(중), 텅스텐 도핑된 투과전자현미경사진(우). 5~10nm 두께의 얇은 실리콘/텅스텐 층이 루테늄 중심부 영역을 감싸고 있는 사진으로 안정성 향상의 이유로 꼽힘. 텅스텐 원소가 루테늄 산화물 격자에 끼어 있는 형태로 루테늄의 조절된 수흡착에너지를 통한 높은 HER 성능의 원인이 됨. UNIST 제공

그림. 개발된 RuSiW 촉매의 수소발생반응(HER) 활성 비교를 위한 이론 모델(좌)와 Si, W 도입에 따른 RuO2의 전자구조(d-band 중심) 변화(우). 루테늄/실리콘/텅스텐 삼원소 기반 산화물의 촉매활성 개선을 설명하기 위한 이론 모델과 흡착에너지의 영향을 주는 전자구조 변화. UNIST 제공

연구팀은 산성에서 안정적인 백금이나 이리듐 등 귀금속 전해질을 대체할 물질을 연구했다. 루테늄은 생산 가격이 상대적으로 저렴하고, 백금이나 이리듐보다 적은 온실가스를 배출한다.

다만, 백금보다 촉매 반응 촉진 능력이 낮고, 이리듐보다 안정성이 낮아 상용화에는 어려움이 있었다.

이에 연구팀은 루테늄, 실리콘, 텅스텐 기반의 산화물로 촉매를 개발했다.

낮은 수소발생반응(HER)과 산소발생반응(OER)의 안정성이 떨어지는 루테늄 촉매의 기능을 동시에 개선해 이기능성(수전해에서 수소·산소발생반응에 모두 활용할 수 있는 성질) 촉매로서 가능성을 입증했다.

개발된 촉매는 루테늄 원자 주변에 텅스텐과 실리콘이 도핑된 구조로, 촉매 표면에 양성자 흡착 세기를 적절히 증가시켜 촉매 반응 촉진 능력을 높였다. 특히 상용화된 백금 촉매보다 수소발생반응에 대한 활성도가 뛰어나고, 5∼10㎚(나노미터·10억분의 1ｍ) 수준의 얇은 텅스텐 막이 루테늄의 촉매 작용 부위를 보호해 안정성을 높였다고 연구팀은 설명했다.

촉매 안정성 실험에서는 산성 전해질(산도 0.3) 환경에서 1㎠ 크기 전극에 10㎃의 전류를 흘렸다. 그 결과 촉매는 100시간 이상 구동에도 안정적으로 작동했다.

류정기 교수는 "개발된 촉매는 값비싼 백금, 이리듐을 동시에 대체할 수 있다는 점에서 의미가 크다"며 "부식성 강한 산성에서도 장시간 안정적이고 쉽게 합성할 수 있어 고순도 그린수소 생산 시스템인 양성자교환막 전해조에서도 적용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials)에 게재돼 지난 4일 출판됐다.

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 지역혁신선도연구센터사업, 국가슈퍼컴퓨팅센터 등의 지원을 받았다.

특강 참석자들이 싱퉁 야우(Shing-Tung Yau) 칭화대학교 교수(앞줄 왼쪽 네 번째)와 기념촬영을 하고 있다. UNIST 제공

◆필즈상 수상자 싱퉁 야우 교수, UNIST서 미래 수학자들과 만난다

필즈상 수상자인 싱퉁 야우(Shing-Tung Yau) 교수가 울산과학기술원(UNIST)에서 미래 수학자들과 만났다.

UNIST(총장 이용훈) 수리과학과는 싱퉁 야우 교수와 함께하는 학생 대상 특강을 11일 UNIST 학술정보관 지관서가에서 개최했다고 밝혔다.

중국계 미국인인 야우 교수는 1982년 칼라비-야우(Calabi-Yau) 다양체 존재성을 증명해 ‘수학계 노벨상’으로 불리는 필즈상을 수상했다. 미분기하학의 대가로 알려져 있다. 하버드대학교 교수를 거쳐 지난 2022년부터 중국 칭화대학교 석좌교수로 재직 중이다.

싱퉁 야우 칭화대학교 교수. UNIST 제공

야우 교수는 경남지역 과학고, UNIST 재학생 등을 상대로 ‘수학자의 삶(the Shape of a Life)’이라는 주제로 강연했다. 수학자가 된 계기, 수학자로서의 마음가짐과 연구 자세 등을 들려줬다.

야우 교수는 이날 강연에서 ‘수학은 직관적 원리 이해가 중요하다’는 통념과 달리 ‘반복적인 되새김 학습’의 중요성을 강조했다. 또 물리학의 일반상대론 양수 질량 정리를 풀어낸 자신의 경험을 들며 용기를 가지고 새로운 분야를 학습하기를 권했다. 또 고교생들에게는 자신만의 난제를 새롭게 만들 수 있는 주도적 학습과 훈련이 필요하다고 강조했다.

한편, 야우 교수는 UNIST 수리과학과가 주관하는 기술교류회에 참석하기 위해 방한 중이다. 기술교류회는 해외석학과 국내 연구자간 협력기회 증진을 위해 한국과학기술단체총연합회가 운영 중인 사업이다. 이번 기술교류회는 '양자장, 끈 그리고 기하'를 주제로 지난 10일부터 12일까지 열린다. 리처드 소엔 미국 캘리포니아대학교 어바인 석좌교수, 무타오 왕 컬럼비아대 교수, 세르게이 구코프 칼텍 교수 등 세계적인 석학들이 UNIST를 찾는다.

송현수 기자 songh@busan.com