수소차 핵심 백금 촉매, 양↓효율↑… UNIST·서울대, 고효율 설계법 규명

지지체 결정면 백금 입자 구조변화, 촉매 성능 현상
귀금속 백금 적게 쓰는 고성능 촉매 개발 설계 원리

국내 연구진이 귀금속 촉매의 효율을 극대화하는 새로운 설계 원리를 찾아냈다.

촉매를 올려놓는 지지체의 단면 방향만 바꿔도 반응 성능이 대폭 향상되는 원리다.

UNIST 안광진 교수팀과 서울대 한정우 교수팀은 백금 촉매를 지지하는 이산화티타늄의 결정면에 따라 백금 입자의 형태와 반응성이 달라진다는 사실을 규명했다.

연구진,(좌측부터) 안광진 UNIST 교수, 한정우 서울대 교수, 윤신명 한국화학연구원 선임연구원, 김지훈 UNIST 연구원, 김윤경 서울대 연구원. UNIST 제공

연구팀 분석 결과, 이산화티타늄의 (001) 결정면에 백금을 올렸을 때 백금 입자가 물방울처럼 넓게 spread 되는 구조를 형성했다. 이 구조는 화학반응을 거치면서 반응에 필요한 활성화에너지를 기존보다 최대 25.6% 떨어뜨렸다. 에너지가 낮아질수록 반응은 더 잘 일어난다.

반면 (101) 결정면 위에 올린 백금은 공처럼 뭉쳐 지지체와 접촉면이 좁았다. 반응이 반복되어도 성능 변화는 미미했다. 연구진은 실시간 분광 분석과 시뮬레이션을 통해 반응 과정에서 일어나는 백금 입자의 미세한 구조 변화를 입증했다.

안광진 교수는 "촉매는 반응 과정에서 소모되지 않을 뿐 작동 중에는 형태와 구조가 달라질 수 있다"며 "반응 중 촉매의 구조 변화까지 고려하는 새로운 촉매 설계 방향을 제시했다"고 말했다.

이어 "백금은 에너지와 화학산업에 필수적이지만 가격이 높은 귀금속"이라며 "이번 연구 결과가 적은 양의 백금으로도 반응성과 내구성을 높이는 촉매 기술에 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

연구그림, 산화티타늄 결정면별 백금 나노입자의 구조 진화와 계면 반응성 차이를 나타낸 모식도.

이번 연구는 고가의 귀금속인 백금을 적게 쓰면서도 성능과 내구성을 높일 수 있는 길을 열었다. 수소 연료전지와 배기가스 정화 등 다양한 친환경 에너지 산업의 촉매 제조 원가를 낮추는 데 기여할 전망이다.

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr