국토교통부에 따르면 2022년까지 등록된 수소차는 약 3만여 대로 2018년과 비교했을 때 약 3배 정도 증가했다. 그러나, 전국에 있는 수소 충전소의 숫자는 135개에 불과하다. 수소차 및 수소 에너지를 대중화하기 위해서는, 수소 연료의 생산 비용을 낮추어 경제성을 확보하여야 한다. 이를 위해서는, 물로부터 수소를 생산하는 데 필요한 수전해-수소발생 촉매의 효율을 극대화하는 것이 필요하다.

최근 POSTECH 화학과 이인수 교수 · 수맨 두타(Soumen Dutta) 연구교수 · 통합과정 구병수 씨 연구팀은 두 가지 금속이 위치 선택적으로 증착된 백금 나노촉매를 개발해 친환경 에너지원인 수소 생산의 효율을 높였다. 이번 연구는 화학 분야에서 영향력이 높은 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’지에 게재되었다.

수 나노미터(nm) 크기의 촉매 표면의 특정한 위치에 다른 물질을 선택적으로 증착시키는 것은 매우 어렵다. 의도하지 않은 위치에 증착된 물질이 오히려 촉매 활성자리를 막거나 서로의 기능을 방해할 수 있기 때문이다. 물 분해를 활성화하는 니켈이나 수소 이온이 수소 분자로 변환되는 반응을 촉진하는 팔라듐을, 하나의 물질에 동시에 증착해 함께 사용할 수 없는 이유가 바로 이 때문이다.

연구팀은 자체적으로 개발한 나노반응기1)를 이용하여 2차원 형태의 판상형 나노결정 위에 증착되는 금속의 위치를 미세하게 제어했다. 그리고, 이를 통해 2차원 백금 나노결정의 여러 결정면에 각기 다른 물질로 도포할 수 있는 나노 스케일 미세증착 공정을 개발하였다. 할 수 있는 나노스케일 미세공정을 개발하였다. 연구팀은 이를 바탕으로 연속적 증착 방법을 통하여 2차원 백금 나노결정의 평면과 가장자리에 각각 팔라듐과 니켈 나노 박막이 선택적으로 도포된 형태의 ‘백금-니켈-팔라듐’ 삼금속 하이브리드 촉매 물질을 합성하였다.

하이브리드 촉매의 서로 다른 위치에 구획되어 형성된 니켈/백금과 팔라듐/백금 계면은, 각각 물 분자 분해 과정과 수소 분자 생성 과정을 촉진하여 두 과정이 협동적으로 일어나는 수전해-수소발생 반응의 효율을 크게 향상시켰다.

실험 결과, 삼금속 하이브리드 나노촉매는 기존의 백금-탄소 촉매에 비해 약 7.9배 향상된 활성을 보였다. 또, 50시간 정도의 오랜 반응에서도 활성을 유지하며 높은 안정성을 보였다. 기존의 하이브리드 촉매들이 지녔던, 이종 계면들 사이의 기능적 간섭이나 충돌의 문제를 해결한 것이다.

이번 연구를 이끈 이인수 교수는 “공정상의 어려움을 극복하고, 하이브리드 물질에서 이종 계면을 결합하는 데 성공했다”며, “수소 반응에 최적화된 촉매 재료 개발에 널리 적용되기를 바란다“는 기대를 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업의 지원으로 진행됐다.