촉매는 화학 반응을 촉진하는 물질로, 석유화학, 의·약학, 신재생에너지 등, 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다. 촉매 물질은 우수한 성능과 안정성이 요구돼, 일반적으로 백금과 같은 귀금속으로 만든다. 하지만, 귀금속 기반 촉매는 가격이 비싼 단점이 있어 적은 양으로 최대의 효과를 얻는 것이 경제적으로 유리하다. 이러한 시도로 값싼 탄소 지지체에 단일 금속 원자를 고정한 촉매가 주목받고 있다. 이를 단원자 촉매(Single atom catalysts, SACs)라고 부른다.
차세대 촉매로 각광받는 단원자촉매를 금속 구슬을 굴리는 간단한 공정으로 합성하는 신기술이 나왔다. 이 같은 연구 성과는 나노공학 분야 최고 권위지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 2월 10일자로 공개됐다.
유니스트(UNIST·울산과학기술원) 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 용기 안에서 금속 구슬을 충돌시키는 기술을 이용해 단원자 촉매를 제조하는 데 성공했다고 11일 밝혔다. 금속 구슬이 부딪칠 때 떨어져 나온 금속 원자가 지지체에 박히게 돼 단원자촉매가 합성되는 원리다.
단원자 촉매가 차세대 촉매로 꼽히는 이유는 덩어리 형태 금속 촉매보다 고가 희귀금속 원료를 적게 쓸 수 있어서다. 하지만 기존 단원자 촉매 합성법은 여러 단계의 공정을 거쳐야 했고, 이 과정에서 유기 오염물이나 유해 가스가 나왔다.
연구팀이 개발한 합성법은 용기에 금속 구슬, 질소 가스, 지지체를 넣고 돌리기만 하면 된다. 금속 구슬이 서로 강하게 충돌하면 표면이 압축과 팽창을 반복해 활성 상태가 되고, 이 때 지지체가 활성화 된 금속을 잡아당김으로써 금속 원자가 쉽게 떨어져 나오는 원리를 쓴다. 같이 넣은 질소 가스도 질소 원자 형태로 지지체 구조 안에 들어가게 되는데, 이 질소 덕분에 금속이 단일 원자 상태로 지지체에 안정하게 고정된다.
일반적인 촉매 합성에 환경오염 우려가 있는 유기 액체를 쓰는 것과 달리 이 합성법은 물조차도 필요 없을 뿐더러 일산화탄소, 염소 가스 같은 유해 가스가 발생하지 않아 친환경적이고 경제적이다. 또 금속 구슬의 원료만 바꾸면 다양한 종류의 단원자 촉매를 합성할 수 있다. 용기 회전 속도, 지지체 양, 반응시간을 조절하면 지지체에 고정되는 금속 양도 쉽게 조절할 수 있다.
연구팀은 금속 구슬 원료를 철, 니켈, 코발트, 구리 등으로 바꿔 촉매를 합성했다. 합성된 단원자 촉매의 성능 또한 기존의 값비싼 귀금속 촉매보다 뛰어나 상업화 가능성이 매우 크다는 것이 연구진의 설명이다.
제1 저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지화학공학부 가오펑 한 박사는 “우리 주변에 흔히 쓰는 볼 밀링 기계의 용도를 바꿔 매우 단순하지만 뛰어난 촉매 제조법을 개발했다”고 설명했다.
한편, 촉매는 플라스틱이나 화장품 원료를 만드는 공정부터 디젤차의 배기가스 저감 장치까지 안 쓰이는 곳이 없다 해도 과언이 아니다. 촉매를 쓰는 그린수소 생산 기술이나 이산화탄소 변환 기술과 같은 청정기술이 본격적으로 상용화 된다면 희귀 금속 수요가 더 커질 전망이다. 희귀 금속을 적게 쓰는 것이 가능한 단원자 촉매 기술이 중요한 이유다.
백종범 교수는 “기존 단원자 촉매 합성의 문제점을 한 번에 해결할 수 있는 합성법을 개발했다”라며 “향후 다양한 산업에 응용할 수 있어 수소 경제와 탄소 중립 사회 실현에도 크게 이바지할 수 있을 것”이라고 기대했다.
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