연구재단, 효율적이고 저렴한 염소 생산 기술 확보

포항공과대·서울대학 공동연구, 단원자 촉매 소재 기술 개발
촉매 반응성이 높은 구조는 '비대칭성' 구조 확인

[대전=뉴시스] 대칭 및 대칭이 깨진 염소생산용 촉매의 활성점 모식도. 대칭성을 가진 구조(Pt－N4)의 경우 낮은 염소 생산 성능을 보이지만 대칭성이 깨진 구조(Pt－N3V)는 높은 염소 생산 성능을 가진다. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국연구재단은 포항공과대학교 최창혁 교수와 서울대학교 주상훈 교수팀이 염소를 효율적으로 생산할 수 있는 촉매의 설계 원리를 밝혀 경제성 높고 고성능 촉매를 생산할 수 있는 기술을 확보했다고 12일 밝혔다.

염소는 연간 7500만t이 생산되는 세계 10대 화합물 중 하나로 생산과정에서 금속 산화물 전극(DSA)이 촉매로 사용된다.

DSA는 이리듐이나 루테늄과 같은 값비싼 귀금속을 대량 포함하고 있어 비싸고 염소 이온 농도가 낮거나 산도가 중성일 때는 산소 발생 반응이 발생해 생산효율도 떨어진다.

이번에 공동 연구팀은 저렴하면서도 효율적인 염소 생산을 위해 DSA를 대체할 백금 단원자 촉매를 개발했다.

단원자 촉매는 금속 원자가 지지체 표면에 하나씩 흩뿌려진 형태의 촉매로 금속 원자 각각을 모두 반응점으로 활용할 수 있어 같은 중량의 귀금속을 쓰더라도 더 효율적이다. 하지만 백금 단원자가 가장 높은 성능을 보이는 활성점 형태를 밝히는 것은 숙제로 남아있었다.

이에 따라 백금 단원자 촉매를 개발한 연구팀은 고성능 촉매 활성점 구조 규명에 나서 백금이 단원자 상태서 대칭적 활성점 구조의 경우 촉매 성능이 낮고 오히려 대칭 구조가 무너졌을 때 더 높은 성능이 보인다는 사실을 확인했다.

일반적으로 백금은 단원자 상태로 존재할 때 마치 의자의 네 다리와 같이 평면에서 네 개의 결합으로 대칭 구조를 형성하는 것으로 알려졌다.

이번에 연구팀은 개발한 단원자 촉매의 구조를 최신 분광분석을 통해 분석한 결과, 네 개의 결합을 가진 대칭 구조와 세 개의 결합을 가진 대칭이 깨진 구조가 공존하고 있음을 확인했다.

또 촉매 반응성이 높은 구조는 비대칭성 구조임을 실험으로 규명하고 대칭이 무너진 백금의 구조를 선택적으로 합성하는 데 성공했다.

연구재단 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 지난달 3일 게재됐다.(논문명:Importance of broken geometric symmetry of single-atom Pt sites for efficient electrocatalysis)

최창혁 교수와 주상훈 교수는 "지속 가능한 염소 생산을 위한 전극 소재 설계의 핵심 원리를 밝혔고 이를 구현해 상용화 가능한 전극을 개발했다"며 "이번 연구를 바탕으로 에너지 및 환경문제 해결을 위한 다양한 전기화학 전극 소재 개발에 더욱 집중할 것"이라고 말했다.

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