국내 공동연구진이 친환경 에너지원으로 주목받는 수소 생산에 사용되는 광(光)촉매의 효율을 획기적으로 높이는 기술을 개발했다. 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단장 팀은 남기태 미래소재디스커버리 연구단장, 김형준 KAIST 교수팀과 공동으로 효소의 작동원리를 닮아 현존 최고 성능을 보이는 광촉매를 개발했다.

▲ 물과 메탄올을 섞은 용액에 연구진이 개발한 촉매를 넣고 빛을 가하면 수소가 발생한다. 그림 속 기포는 수소가 발생했음을 보여준다.

광촉매는 빛을 받아 화학반응을 매개하는 물질이다. 연구진은 수천만 년의 세월을 거쳐 자연적으로 발전해 온 생체촉매인 효소가, 가장 이상적인 방식으로 화학반응을 매개한다는 점에 주목했다. 효소는 주변 단백질과 전자를 주고받는 상호작용을 통해 주변 환경과 반응하기 가장 적합한 형태로 자신의 구조를 바꾼다.

이에 착안 연구진은 광촉매인 이산화티타늄(TiO₂) 위에 구리 단원자를 올린 형태의 새로운 촉매를 개발했다. 이 단원자 구리/이산화티타늄 촉매는 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 상호 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고, 스스로 구조를 변화시켜 화학반응을 매개한다.

▲ 단원자 구리/이산화티타늄 광촉매 설계 과정.

연구진은 개발한 촉매를 햇빛을 이용하여 물에서 수소를 생산하는 화학반응에 적용했다. 단원자 구리/이산화티타늄 촉매는 전달받은 빛의 40% 이상을 수소전환반응에 사용하는 뛰어난 수소생산 성능을 나타냈다. 이는 이전까지 학계에 보고된 촉매 중 최고 성능을 기록했던 '백금/이산화티타늄 광촉매'보다 50%이상 높은 효율이다. 게다가 귀금속인 백금에 비해 4700배가량 저렴한 구리를 사용해 경제성도 크게 높였다.

▲ 연구진이 개발한 단원자 구리/이산화티타늄 촉매의 현미경 이미지.

현택환 IBS 연구단장은 "이번에 개발된 촉매는 높은 효율, 낮은 가격, 친환경성이라는 세 마리 토끼를 모두 잡은 기술로 평가된다"며 "친환경 에너지인 수소를 높은 효율로, 값싸게 제조할 수 있는 길을 연 셈"이라고 말했다.

연구결과는 재료 분야 권위지인 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’ 4월 23일자에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬