"수소생산 효율 6배 향상"…KAIST, 나노 신소재 합성 플랫폼 개발

찰나의 빛으로 초고온을 구현해 수소생산 촉매 효율성을 높일 플랫폼 기술이 개발됐다. 이 플랫폼을 이용하면 기존 대비 1/1000의 에너지로도 수소생산 효율을 최대 6배 높일 수 있다. 이를 통해 미래 청정에너지 기술의 상용화를 앞당길 수 있다는 기대가 나온다.

KAIST는 신소재공학과 김일두 교수 연구팀과 전기 및 전자공학부 최성율 교수 연구팀이 빛을 0.02초 비추는 것만으로도 고성능 나노 신소재를 합성할 수 있는 '직접 접촉 광열처리(Direct-contact photothermal annealing)' 합성 플랫폼을 개발했다고 20일 밝혔다.

(왼쪽부터) 박서학 박사과정, 안재완 박사, 전도경 박사과정, 최성율 교수, 김일두 교수, 박충성 박사, 신의철 박사과정, (상단 왼쪽부터) 신하민 박사, 최준회 박사. KAIST 제공

이 기술은 찰나의 빛으로 순식간에 3000도의 초고온 상태에 이르게 하는 촉매 합성기술이다. 빛을 통해 구현한 초고온 상태는 단단하며 반응이 약한 '나노 다이아몬드(nano diamond)'를 전기가 잘 통하고 촉매로 사용하기 용이한 고성능 탄소 소재 '탄소 나노 어니언(Carbon Nano onion)'으로 바꿀 수 있게 한다.

연구팀은 이를 통해 기존 열선 가열 기반의 열처리 공정보다 에너지 소비를 1/1000 수준으로 줄이면서 공정 속도는 수백 배 이상 단축했다.

특히 전환된 탄소 나노 어니언 표면에 금속 원자를 하나하나 달라붙게 만들어 촉매 기능을 동시에 구현한 점은 눈여겨볼 지점이다. 찰나의 빛을 쬐는 것만으로도 나노 다이아몬드의 구조를 탄소 나노 어니언으로 바꾸고 재료에 기능까지 새롭게 부여하는 일석이조의 효과를 거둘 수 있다는 점에서다.

탄소 나노 어니언은 탄소 원자가 양파처럼 여러 겹으로 쌓인 초미세 구형태의 소재로 전기 전도도와 내화학성이 뛰어나 촉매를 지지하는 데 적합하다.

하지만 기존에는 탄소 나노 어니언을 합성한 후 다시 촉매를 부착하는 복잡한 공정을 거쳐야 했고, 열선으로 가열하는 기존 열처리 방식은 에너지 소모가 크고 시간이 오래 걸려 상용화에 어려움이 따랐다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 빛 에너지를 열로 전환하는 '광열효과(Photothermal effect)'를 이용했다.

탄소 나노 어니언의 전구체인 '나노 다이아몬드'에 빛을 잘 흡수하는 검은색 '카본블랙'을 섞은 후 제논 램프로 강한 빛을 터뜨리는 방식이다.

이 결과 단 0.02초 만에 나노 다이아몬드가 탄소 나노 어니언으로 전환된 것은 물론 분자동역학 시뮬레이션에서도 이러한 과정이 물리적으로 충분히 가능한 것으로 확인됐다.

특히 이 플랫폼은 탄소 나노 어니언 합성과 단일원자 촉매 부착을 한 번에 처리할 수 있다. 백금 등 금속 전구체를 함께 넣으면 금속이 원자 단위로 분해되는 '단일원자 촉매'로 갓 생성된 탄소 나노 어니언 표면에 즉시 달라붙는 덕분이다.

이후 빠른 냉각 과정에서 원자가 뭉치지 않아 소재 합성과 촉매 기능화가 완벽하게 통합된 단일 공정으로 완성된다.

연구팀은 이 기술로 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등 8종의 고밀도 단일원자 촉매도 성공적으로 합성했다. 이를 토대로 제작한 '백금 단일원자 촉매?탄소 나노 어니언'은 기존보다 수소생산 효율을 6배 높이는 동시에 고가 금속 사용량을 획기적으로 줄였을 때도 고효율을 달성했다고 연구팀은 강조했다.

김 교수는 "연구팀이 개발한 기술은 기존 열처리보다 에너지 소비를 1000배 이상 줄인 초고속 합성?단일원자 촉매 기능화 통합 공정으로 향후 수소 에너지, 가스 센서, 환경 촉매 등 다양한 응용 분야의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 전도경 박사과정·신하민 박사(현 ETH Zurich 박사후연구원), KAIST 전기 및 전자공학부 차준회 박사(현 SK hynix 연구원)가 공동 제1 저자로 참여해 수행했다. 최성율 교수와 김일두 교수는 교신저자로 참여했다.

연구 결과(논문)은 나노 및 화학 분야 학술지 '미국 화학회(American Chemical Society·ACS)'가 발간하는 'ACS Nano' 9월호 속표지 논문으로 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr