폐플라스틱을 수소로 바꾼다···세계 최고 효율 촉매 합성

IBS 나노입자 연구단, 촉매 개발
촉매 1g으로 시간당 3.7L 수소 생산

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 버려지는 플라스틱을 재활용할 방법을 제시했다.

현택환 기초과학연구원 나노입자 연구단장.(사진=기초과학연구원)

기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자 연구단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수) 연구팀이 이병훈 고려대 KU-KIST 융합대학원 조교수 연구팀, 김민호 경희대 교수 연구팀과 단 1g으로 시간당 3.7L의 수소를 생산하는 세계 최고 효율의 촉매를 개발했다고 6일 밝혔다.

촉매는 화학산업의 감초 역할을 한다. 백금을 비롯한 귀금속계 촉매는 좋은 성능을 낸다. 하지만 가격이 비싸 산업적으로 적용했을 때 경제성이 떨어진다. 게다가 반응 조건에 따라 금속 원자들이 구조적으로 불안정해져 성능을 온전히 활용하지 못했다.

이에 따라 원자가 개별적으로 분산된 원자 분산 촉매가 각광 받고 있다. 모든 백금 원자가 반응에 참여하면 촉매 활용도가 극대화된다. 원자 분산 촉매는 지지체 표면에 금속 원자를 고정한 형태인데 기존 합성법은 고온, 고압의 조건이나 복잡한 합성과정이 필요했다.

연구팀은 별도의 전기에너지나 열에너지를 투입하지 않고 태양광만을 이용해 상온에서 원자 분산 촉매를 합성하는 방법을 개발했다.

우선 이산화티타늄처럼 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. 이후 표면에 노출된 산소 결함을 금속의 결합 자리로 이용해 금속 촉매들을 지지체 표면에 균일하게 결합시켰다.

이후 빛을 이용해 수소를 발생시키는 반응에서 새로 합성한 원자 분산 백금·이산화티타늄 촉매 성능을 평가했다. 그 결과, 1g의 촉매를 사용했을 때 1시간에 3.7L의 수소를 발생시키는 세계 최고 효율을 보였다.

플라스틱에서 수소를 생산하는 반응에도 적용한 결과, 개발된 촉매는 40시간 동안 98%의 폐플라스틱을 수소로 전환하는 성능을 나타냈다.

현택환 단장은 “사용하는 지지체와 금속 촉매 종류에 따라 광촉매, 열촉매 등으로 다양하게 합성할 수 있어 화학산업 비용을 낮출 수 있다”라며 “쉽고 빠르게 촉매를 합성할 수 있는 만큼 산업적 규모로 확장이 용이할 것”이라고 말했다.

연구 결과는 6일 오전 1시(한국시간) 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’ 온라인판에 실렸다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)