기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수) 연구팀은 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈 제어소재 연구단 단장(서울대 교수), 및 김형준 KAIST 교수팀과 공동으로 효소와 유사한 불균일촉매를 세계 최초로 개발하여, 수소 생산 효율을 기존보다 50% 이상 높일 수 있는 새로운 광촉매를 개발했다.

• 과학기술정보통신부(장관 유영민)와 IBS(원장 김두철)는 이번 연구 성과가 재료분야 최고권위의 학술지 네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF39.2)誌 온라인판에 4월23일 0시(한국시간) 게재되었다.

연구진은 세계 최초로 우리 몸의 효소와 작동원리가 유사한 불균일촉매를 개발하고, 효율이 높은 균일촉매와 저렴하고 재활용 가능한 불균일촉매의 장점만을 결합한 새로운 촉매를 제조했다.
  * 균일촉매(homogeneous catalyst)/불균일촉매(heterogeneous catalyst): 촉매가 반응물 및 생성물과 동일한 상(相)을 가질 때를 균일촉매라하며 촉매, 반응물, 생성물이 모두 다 용매에 녹아있다. 반면 불균일촉매는 반응물과 생성물이 기체나 액체상태인 것과 달리 고체상태로 상이 다르다.

• 연구팀은 광촉매인 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자 위에 구리 원자를 올려서, 효소처럼 작동하는 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 개발하였다.
• 효소는 주변 단백질과 수소를 주고받는 상호작용으로 주변 환경과 반응하기 가장 적합한 형태로 자신의 구조를 바꿔 촉매반응에 참여한다. 연구진은 개발된 촉매가 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 상호 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고, 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것을 밝혔다.
• 개발된 촉매를 햇빛을 이용하여 물로 수소를 생산하는 반응에 적용하여, 전달받은 빛의 40%이상을 수소전환반응에 사용하는 뛰어난 수소생산 성능을 확인하였다. 이는 기존 성능이 가장 우수한 값비싼 백금/이산화티타늄 광촉매와 비등한 뛰어난 성능을 보였다.
• 값비싼 백금 대신 구리를 사용해 경제적인 동시에 반응에 쓰인 불균일촉매는 다시 회수해 오랫동안 안정적으로 재활용할 수 있는 만큼 폐촉매가 발생하지 않아 친환경적이라는 장점도 있다.

이번 연구는 가장 이상적인 촉매인 효소와 유사하게 작동하는 불균일촉매를 세계 최초로 개발하고, 불균일촉매의 가장 큰 단점인 낮은 효율 문제를 해결했다는데 큰 의미가 있다.

• 개발된 기술은 높은 효율, 낮은 가격, 친환경성이라는 세 마리 토끼를 모두 잡은 기술로 평가된다. 향후 수소생산은 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학공정에서도 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다.

현택환 IBS연구단장은 "개발된 촉매를 물을 햇빛으로 수소로 생산하는 광촉매반응에 적용하면 상온·상압에서도 안정적이고, 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있게 되었다"고 연구의 의미를 밝혔다.

그림설명

▲ [그림 1] 개발된 촉매를 이용해 수소를 생산하는 모습개발한 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 수소 생산 반응에 적용했다. 물과 메탄올을 섞은 반응물에 개발된 촉매를 넣고 빛을 가하면 수소가 생성된다. 연구진이 개발한 촉매는 기존 촉매 대비 수소생산 효율을 33배나 높였다. 사진 속 기포는 수소가 활발히 생성되고 있음을 보여준다.

▲ [그림 2] 단원자 구리와 주변 이산화티타늄의 의사소통연구진이 개발한 단원자 구리/이산화티타늄 촉매는 구리와 이산화티타늄 사이 의사소통 덕분에 높은 효율을 보인다. 외부 빛을 쪼였을 때 촉매의 전체적인 색은 점점 어두워진다(왼쪽부터 왼쪽 네 번째 사진). 이는 가역적인 변화로 광촉매반응이 진행된 이후 다시 원래의 색으로 돌아온다(왼쪽 네 번째부터 오른쪽 사진).

▲ [그림 3] 단원자 구리/이산화티타늄 촉매 설계 과정연구진은 이산화티타늄 광촉매 위에 구리 단원자를 가장 안정적으로 올릴 수 있는 위치를 이론적으로 파악했다. 이후 이산화티타늄 층에 구리를 얹고, 열적으로 안정한 이산화실리콘으로 감싼 뒤 고온에서 열처리해 촉매를 완성했다.

▲ [그림 4] 연구진이 개발한 단원자 구리/이산화티타늄 촉매의 현미경 이미지투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 단원자 구리/이산화티타늄 촉매의 모습(a, b). 구리원자가 촉매표면 전체에 걸쳐 안정화된 것을 관찰할 수 있다(c).

▲ [그림 5] 구리 단원자와 이산화티타늄 나노입자의 상호작용 메커니즘외부 빛이 유입되면 단원자 구리가 광흡수를 통해 산화-환원반응을 일으키고, 이에 따라 주변 이산화티타늄의 구조를 빠르고 가역적으로 변화시킨다.

▲ [그림 6] 이번 연구에 참여한 연구진의 모습(왼쪽부터) 현택환 IBS 나노입자 연구단 단장(공동 교신저자), 이병훈 IBS 나노입자 연구단 연구원(공동 제1저자), 박승학 서울대 연구원(공동 제1저자), 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈 제어 소재 연구단 연구단장(공동 교신저자)의 모습.