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NEW 유성주 교수, 값비싼 백금 활용↑그린수소 '극한의 촉매기술' 개발
- 2026-01-08
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- 그린수소 생산 활용 '백금' 촉매 1g으로 82g 효과
- 소재의 물리적 한계 예측 및 제어 통해 수소 생산 시스템의 효율·내구성 동시 확보
아주대학교 화학과 유성주 교수팀이 청정 에너지원인 그린수소의 생산에 활용되는 ‘백금(Pt) 촉매’를 최대한 효율적으로 사용할 수 있는 기술을 개발했다. 이에 수소 생산의 비용을 획기적으로 절감하고 더욱 효율적인 공정을 가능하게 할 전망이다.
화학과 유성주 교수는 수소 생산 촉매의 성능을 결정하는 백금(Pt) 원자를 서로 뭉치지 않는 단일원자 상태 그대로 유지하는 기술을 개발, 소재 효율을 이론적 한계치까지 끌어올리는 데 성공했다고 밝혔다.
해당 내용은 ‘태양광 수소 생산을 위한 원자 분산 백금 촉매의 안정성 임계값(Stability Thresholds of Atomically Dispersed Platinum Catalysts for Solar Hydrogen Production)’이라는 제목의 논문으로 <앙게반테 케미(Angewandte Chemie)>에 12월17일 게재됐다. 우리 학교 대학원 에너지시스템학과의 박준서 석박사통합과정생(위 사진 오른쪽)이 제1저자로 참여했고, 유성주 교수(화학과·대학원 에너지시스템학과, 위 사진 왼쪽)가 교신저자로 참여했다.
그린수소(green hydrogen)는 태양광과 풍력 같은 재생에너지를 이용해 물을 분해, 생산과정에서 온실가스를 배출하지 않으면서 만들어내는 청정 수소를 말한다. 기후 위기에 대응하기 위해 화석연료를 대체할 에너지로 그린수소가 주목받고 있으나, 수전해 및 광촉매 기반의 수소 생산 시스템에서는 고가의 ‘백금(Pt) 촉매’가 주로 사용되며 이는 수소 생산 전체의 비용을 높이는 주요 원인이다.
값비싼 백금의 사용량을 줄이기 위해 백금 입자를 나노미터(nm) 수준에서 원자(atom) 단위로 줄여 표면적을 극대화할 수 있다. 그러나 입자가 작아질수록 표면 에너지가 높아져 흩어져 있던 원자들이 불안정한 상태를 견디지 못하고 다시 서로 뭉치는 현상이 발생하며, 이는 수소 생산 성능의 저하를 불러온다.
이에 아주대 연구팀은 실제 환경에서 백금 원자들이 서로 뭉치지 않고 최상의 성능을 낼 수 있는 구조적 임계점을 찾아냈다. 이를 통해 백금 원자가 뭉치는 것을 원천적으로 차단하고, 공정에 투입된 모든 백금이 100% 반응 표면에 노출되는 활용법을 실현할 수 있었다.
연구팀은 단 1g의 백금으로 기존 나노입자 82g에 해당하는 수소 생산 능력을 확인할 수 있었다. 촉매의 질량당 활성을 획기적으로 향상시킨 것으로, 최소한의 백금을 사용함으로써 수소 생산의 비용을 크게 절감할 수 있음을 보여준다. 연구팀은 또 새로운 기술을 활용해 복접한 공정 없이 비교적 간단한 합성으로 촉매를 제조할 수 있고, 장시간의 구동 실험에서도 성능의 저하 없이 안정적인 수소 생산 효율을 유지할 수 있다는 점을 확인했다.
유성주 교수는 “이번 연구 성과는 촉매의 성능 저하 원인을 원자 수준에서 이해, 단순하면서도 본질적인 해결 전략을 제시한 것”이라며 “고가 귀금속의 활용도를 극대화함으로써 여러 친환경 에너지 공정의 비용을 낮추는데 기여할 수 있다”라고 전했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 교육부·한국연구재단이 추진하는 우수신진, G-램프사업, 자율운영 중점연구소지원사업, 그리고 고등기술연구원의 지원으로 수행됐다.
단일원자 백금(Pt) 입자의 전자현미경 사진.
화살표로 표시된 밝은 대비점들은 지지체 표면에 하나씩 고르게 분산된 백금(Pt) 원자들을 나타내며,
백금이 뭉치지 않고 안정적으로 분산된 상태임을 확인할 수 있다. 이렇게 되면 촉매의 질량당 활성이 향상되어, 백금을 최소한으로 활용할 수 있으며
수소 생산 비용이 크게 절감된다.