버려지는 플라스틱의 새활용 길이 열렸다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수)은 이병훈 고려대 KU-KIST 융합대학원 조교수(前 IBS 나노입자 연구단 연구원), 김민호 경희대 교수팀과 공동으로 단 1g으로 시간당 3.7L의 수소를 생산하는 세계 최고 효율의 촉매를 개발했다. 이 촉매를 폐플라스틱 광(光) 개질 반응에 적용했을 때, 98%의 플라스틱이 수소로 전환되는 성능을 보였다.

촉매는 화학산업의 감초 역할을 한다. 백금(Pt)을 비롯한 귀금속계 촉매는 좋은 성능을 내는 감초 중의 감초지만 비싼 가격으로 인해 산업적 규모에 적용했을 때 경제성이 떨어진다. 게다가 반응 조건에 따라 금속 원자들이 구조적으로 불안정해져 성능을 온전히 활용하지 못하는 경우가 많았다.

이에 따라 원자 하나하나가 모두 개별적으로 분산된 원자 분산 촉매가 각광 받고 있다. 모든 백금 원자가 반응에 참여하면 촉매의 활용도가 극대화된다. 즉, 적은 양의 귀금속만 사용해 가격은 저렴해지면서 성능은 좋아진다. 원자 분산 촉매는 지지체의 표면에 금속 원자를 고정한 형태다. 기존 합성법은 고온‧고압의 조건이나 복잡한 합성과정이 필요하다는 단점이 있었다.

제1저자인 이찬우 IBS 나노입자 연구단 연구원은 “기존에는 금속 원자가 부착될 결합 자리를 만들기 위해 지지체부터 설계‧합성하고, 이후 금속 원자를 고정하는 ‘바텀업 합성법’을 사용해왔다”며 “이 방식은 원자 분산 촉매로 만들 수 있는 금속 원자 및 지지체의 종류가 한정적이라는 단점도 있었다”고 설명했다.

IBS 연구진은 별도의 전기에너지나 열에너지 투입 없이 태양 빛만을 이용해 상온에서 원자 분산 촉매를 합성하는 방법을 개발했다. 연구진은 이산화티타늄(TiO2)처럼 쉽게 구할 수 있는 상용 산화물을 지지체로 활용했다. 산화물 내부에는 산소가 빠져나가며 생긴 일종의 구멍(산소 결함)이 있다. 연구진은 산화물에 태양 빛을 조사해 내부 산소 결함을 표면으로 이동시켰다. 그리고 표면에 노출된 산소 결함을 금속의 결합 자리로 이용했다. 바둑판의 교차점에 바둑알을 놓듯, 금속 촉매들을 지지체의 표면에 균일하게 결합할 수 있었다.

연구진은 빛을 이용해 수소를 발생시키는 반응에서 새롭게 합성한 원자 분산 백금-이산화티타늄 촉매의 성능을 평가했다. 1g의 촉매를 사용했을 때 1시간에 3.7L의 수소를 발생시키는 세계 최고 효율을 보였다.

이어 플라스틱에서 수소를 생산하는 반응에도 적용했다. 플라스틱을 수산화칼륨(KOH) 용액에 녹인 뒤 촉매를 투입했다. 개발된 촉매는 40시간 동안 98%의 폐플라스틱을 수소로 전환하는 성능을 나타냈다. 기존 가장 성능이 우수하다고 보고된 촉매보다 10배 이상 높은 성능이다.

공동 교신저자인 이병훈 조교수는 “태양에너지를 사용해 친환경적으로 고성능 원자 분산 촉매를 합성할 수 있는 새로운 합성법을 제시한 성과”라며 “이 합성법은 여러 종류의 금속 촉매와 산화물에 범용적으로 적용 가능하다는 장점이 있다”고 말했다.

연구를 이끈 현택환 단장 “사용하는 지지체 및 금속 촉매의 종류에 따라 광촉매, 열촉매 등으로 다양하게 합성할 수 있어 화학산업 비용을 크게 낮출 수 있을 것”이라며 “쉽고 빠르게 촉매를 합성할 수 있는 만큼 산업적 규모로의 확장이 용이할 것으로 보인다”고 말했다.

연구 결과는 2월 6일 01시(한국시간) 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF 41.2)’ 온라인판에 실렸다.

그림 설명

[그림 1] 연구진이 개발한 합성법의 모식도 및 합성한 촉매의 전자 현미경 사진
연구진은 빛 에너지를 통하여 산화물(이산화티타늄, 산화아연, 산화 세륨)의 광화학적 표면 산소 결함 조절하고, 산업적으로 중요한 금속 원자(백금, 이리듐, 구리)를 결합시킬 수 있는 범용적 원자 분산 촉매 합성법을 개발했다.

[그림 2] 연구진이 개발한 촉매의 광촉매 반응 성능
연구진이 개발한 합성법을 통해 생산한 원자 분산 백금/이산화티타늄 촉매는 광촉매적 수소 발생 반응에 적용 시 1g의 촉매를 이용하여 시간당 최대 3.7L의 수소를 생산해낼 수 있었으며(왼쪽), 폐페트병 광-개질 반응에 적용 시 최대 98%의 페트병의 수소로의 전환율을 달성할 수 있었다.