경북대 등 공동연구팀, 결정 재배열 통한 루테늄 합성방법 개발

백금 촉매 대비 수소생산량 4배, 세척과정 없이 바로 촉매 활용

실시간 분석을 이용한 합성된 준안정 루테늄 나노촉매의 상전이 기작 연구 모식도(경북대 최상일 교수 제공)© 뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = 수소 생산용 촉매로 쓰일 수 있는 루테늄 탄화물을 안정적으로 얻을 수 있는 합성방법이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 Δ경북대 화학과 최상일 교수 Δ영남대 화학과 윤영상 교수 Δ강원대 화공·생물공학부 임형규 교수 공동 연구팀이 상전이가 일어나고 있는 루테늄 입자에 탄소를 주입하면 고성능 루테늄 탄화물 촉매를 합성할 수 있음을 알아냈다고 27일 밝혔다.

입방밀집구조의 루테늄은 에너지가 조금 높은 준안정한(meta-stable) 상태로 고온에서 조밀한 육방밀집구조로 상전이되면서 안정화 된다고 알려져 있지만 이 과정에 대한 이해가 완전하지 못했다.

공동 연구팀은 실시간 투과전자현미경과 X-선 회절분석으로 준안정한 루테늄 입자의 결정상 전이과정을 정밀하게 분석하고, 이를 토대로 상전이 후 생성되는 새로운 루테늄 탄화물을 발견했다.

고체 탄소 지지체 위에서 합성된 입방밀집구조의 루테늄 원자들이 재배열(원자 미끄러짐) 되면서 루테늄(금속) 격자사이로 탄소(비금속)가 삽입된다.

즉, 금속과 비금속간 새로운 결합을 유도해 신규 화합물인 루테늄 탄화물이 생성되는 것을 직접 확인한 것이다.

더 나아가 이렇게 얻은 루테늄 탄화물이 백금 촉매 보다 수소생산반응 효율을 4배 이상 높일 수 있었다는 게 연구팀의 설명이다.

상전이로 유도된 루테늄 탄화물 나노표면 및 염기 수소생산반응에서의 촉매 활성 결과(제공:경북대 최상일 교수)© 뉴스1

특히, 전이과정 후 나타나는 루테늄 탄화물은 추가적인 세척과정 없이 바로 촉매로 활용할 수 있다는 것이 장점이다.

최상일 교수는 “본 연구에서 제시한 합성전략이 루테늄 탄화물 같은 신물질 개발에 기여할 것”이라면서“이를 활용한 고효율 그린 수소생산 시스템 개발에도 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

연구팀은 향후 루테늄 탄화물을 대량으로 얻기 위한 합성조건 최적화 연구 등을 수행할 계획이다.

한편, 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 5일자 온라인판에 게재됐다.

km5030@news1.kr