액상 유기 수소 운반체에 기반한 수소 기술 상용화 앞당길 전망
국제 저명 학술지 Science 논문 게재
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| ▲(왼쪽부터) 서울대 화학생물공학부 박정원 교수, 송찬경 박사, 정준혁 박사 |
서울대학교 공과대학은 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀이 미국 스탠포드대 화학공학부 토마스 F. 하라미요(Thomas F. Jaramillo) 교수, 마테오 카그넬로(Matteo Cargnello) 연구팀과 원자 수준에서 제어되는 균일한 클러스터 촉매를 합성해 상용화가 가능한 수소 생산 기술을 개발했다고 밝혔다.
연구팀은 백금(Pt) 사용량을 줄이면서도 수소 생산 성능을 극대화할 수 있는 새로운 백금 클러스터 촉매를 구현하는 성과를 거뒀다. 특히 클러스터를 원자 수 수준에서 조절하는 이 촉매는 수소 생산 반응 과정에서도 안정적 구조를 유지할 수 있도록 지지체 위에 고정된 것이 특징이다.
연구팀은 1나노미터(nm) 수준의 초소형 클러스터를 선택적으로 형성할 수 있음을 확인했을 뿐만 아니라, 클러스터를 구성하는 원자 개수를 수십 개 내외의 범위에서 정밀하게 조절할 수 있음을 입증했다. 이를 통해 액상 유기 수소 운반체를 활용한 수소 생산 반응에서 단위 백금당 세계 최고 수준의 수소 생산량을 달성하는 데 성공했다. 이번 기술은 대량생산도 용이해, 향후 액상 유기 수소 운반체 산업화의 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.
세계적으로 주목받은 이번 논문은 지난 5월 28일 세계 최고 권위의 종합 과학 학술지 ‘사이언스(Science)’에 공식 출간됐다.
수소는 탄소 중립 사회로의 전환을 이끌 핵심 청정 에너지원으로 주목받고 있으나, 생산된 수소를 필요한 장소에서 바로 활용하기는 쉽지 않다. 따라서 대용량 수소를 안정적으로 저장하고 장거리 운송할 수 있는 기술의 개발이 필수적이지만, 기존의 고압 수소 가스나 액화수소 방식은 저장·운송 과정에서 높은 비용과 안전성의 부담을 수반한다. 이에 최근에는 기존 액체 연료처럼 수소를 저장·운송할 수 있는 ‘액상 유기 수소 운반체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier)’ 기술이 유망한 대안으로 주목받고 있다.
그런데 이 기술을 실제 수소 공급망에서 활용하기 위해서는, 필요한 장소에서 필요한 시점에 운송된 물질로부터 수소를 빠르면서도 안정적으로 생산할 수 있어야 한다. 그러나 액상 유기 수소 운반체에서 수소를 생산하는 탈수소화 반응은 에너지 소모가 크고, 이를 최소화하기 위해서는 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매의 사용이 필수적이다. 그러나 기존 촉매는 장시간 반응 중 성능이 저하될 뿐 아니라, 충분한 수소 생산량을 확보하기 위해 많은 양의 귀금속이 필요해 경제성 확보에 한계가 있었다.
따라서 대용량 수소 운송·생산 기술의 실용화를 위해서는 적은 양의 귀금속으로도 높은 수소 생산성과 안정성을 동시에 확보할 수 있는 새로운 촉매의 개념과 설계가 필요하다. 기존 나노입자 촉매는 금속 사용 효율이 낮고, 단일 원자 촉매는 안정성이 낮을 뿐 아니라 액상 유기 수소 운반체와 같은 큰 유기 분자의 반응에 적용하기에는 한계가 명확한 실정이다.
이에 수십 개의 금속 원자로 이루어진 클러스터 촉매가 대안으로 주목받고 있다. 그러나 상용화를 위해서는 균일한 클러스터 구조를 선택적으로 형성하고, 원자 수준에서 조절되는 구조를 수소 생산 성능과 연결하는 연구가 필요한 상황이었다.
이 문제의 해결에 나선 연구팀은 대용량 수소 운송·생산의 핵심 난제인 ‘최소한의 귀금속으로 수소를 빠르고 장기적·안정적으로 생산하는 기술’에 주목했다. 그리고 기술 구현을 위해 리간드(ligand)*가 제거된 백금 원자를 용액상에서 지지체에 직접 결합시키는 새로운 촉매 설계 전략을 도입했다.
* 리간드 : 금속 원자가 화학적으로 안정된 상태로 유지될 수 있도록 주위를 둘러싸고 있는 화학물질
이렇게 형성된 백금 원자들은 공기 소성(air calcination)* 과정에서 이동성이 높아지면서 지지체 위에서 가장 강하게 결합할 수 있는 위치에 선택적으로 자리잡았다. 이후 수소 환원을 통한 활성화 과정을 거쳐 약 1나노미터 크기의 균일한 비정형 백금 클러스터를 형성했다.
즉, 연구팀은 고가의 백금이 큰 입자로 뭉치거나 거의 활성화되지 않은 단일 원자 상태로 머무르게 하는 대신, 수소 생산 반응의 효율을 극대화할 수 있는 초소형 클러스터 구조로 정밀하게 배치하는 데 성공한 것이다.
또한 백금 함량을 최대 5배까지 높여도 클러스터 크기가 거의 일정하게 유지된다는 점을 확인했다. 나아가 전자현미경 분석을 통해 겉보기에는 비슷한 크기의 클러스터라도, 실제로는 13~31개에 이르는 서로 다른 수의 백금 원자로 구성될 수 있음을 최초로 밝혔다. 이를 통해 촉매 성능은 단순히 클러스터의 크기만으로 결정되는 게 아니라, 클러스터를 이루는 원자 수에 따라 달라질 수 있다는 사실을 규명했다.
이번에 개발된 백금 클러스터 촉매는 대표적인 액상 유기 수소 운반체인 메틸사이클로헥세인(Methylcyclohexane)의 탈수소화를 통한 수소 생산 반응에서, 기존 상용 촉매보다 10배 적은 양의 백금을 사용하고도 더 높은 활성과 우수한 내구성을 나타냈다. 특히 백금 1g당 분당 최대 50,285밀리몰(mmol)의 수소 생산 성능을 달성했는데, 이는 백금 원자 1개가 초당 약 160개의 수소 분자를 생성하는 수준이다. 이는 기존에 보고된 촉매들과 비교해 세계 최고 수준의 백금 사용량 대비 수소 생산 성능을 보인 것이다.
또한 연구팀은 클러스터를 구성하는 원자 수에 따라 촉매의 활성과 내구성이 달라지는 원리를 바탕으로 수소 생산 촉매의 원자 수준 설계 기준을 제시했다. 이번에 제안된 원자 수 조절 백금 클러스터 촉매 합성법은 액상 유기 수소 운반체 기반 수소 저장·운송 기술의 실용화를 앞당기는 핵심 기술로 활용될 전망이다.
피앤피뉴스 / 마성배 기자 gosiweek@gmail.com
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