국내 연구진, 염소를 효율적으로 생산하는 단원자 촉매 소재 기술 개발

▲ 대칭 및 대칭이 깨진 염소생산용 촉매의 활성점 모식도대칭성을 가진 구조(Pt－N4)의 경우, 낮은 염소 생산 성능을 보이지만, 대칭성이 깨진 구조(Pt－N3V)의 경우, 높은 염소 생산 성능을 가진다. 활성점 주변의 원자 수준에서 깨진 대칭성은 단원자 촉매의 고성능에 핵심 요소이다. (자료=포스텍 최창혁 교수)

[에너지경제신문 송기우 에디터] 국내 연구진이 염소를 값싸게 생산할 수 있는 고성능 촉매의 비대칭성 구조의 비밀을 밝혀냈다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 포항공대 최창혁 교수, 서울대 주상훈 교수 연구팀이 염소를 효율적으로 생산하는 촉매의 설계 원리를 밝혀 고성능 촉매 상용화에 한 걸음 다가갔다고 밝혔다.

살균이나 소독에 쓰이는 염소는 연간 7,500만 톤이 생산되는 세계 10대 화합물 중 하나이다. 소금물을 기반으로 한 전기화학 공정법을 통해 생산되는데, 이 과정에서 금속 산화물 전극(DSA)이 촉매로 사용된다. 그러나, DSA는 이리듐이나 루테늄과 같은 값비싼 귀금속을 대량 포함하고 있어 비싸고, 염소 이온 농도가 낮거나 산도가 중성일 때는 산소 발생 반응이 동시에 발생하여 생산효율도 떨어진다.

연구팀은 저렴하면서도 효율적인 염소 생산을 위해 DSA를 대체할 백금 단원자 촉매를 개발하였다. 단원자 촉매는 금속 원자가 지지체 표면에 하나씩 흩뿌려진 형태의 촉매로, 금속 원자 각각을 모두 반응점으로 활용할 수 있어 같은 중량의 귀금속을 쓰더라도 더 효율적이다. 하지만 백금 단원자가 가장 높은 성능을 보이는 활성점 형태를 밝히는 것은 차세대 고성능 촉매 개발의 숙제로 남아있었다.

연구팀은 고성능 촉매 활성점 구조를 규명하기 위한 기초연구에 착수했다. 일반적으로 백금은 단원자 상태로 존재할 때, 마치 의자의 네 다리와 같이 평면에서의 네 개의 결합으로 대칭 구조를 형성하는 것이 널리 알려져 있다. 하지만, 대칭적 활성점 구조는 촉매 성능이 낮고, 오히려 대칭 구조가 무너졌을 때 더 성능이 높을 수 있음을 예측했다.

연구팀은 이를 뒷받침하기 위해 원자 수준에서 정밀하게 제어된 백금 단원자 촉매를 개발했다. 개발된 단원자 촉매의 구조를 최신 분광분석을 통해 분석한 결과, 네 개의 결합을 가진 대칭 구조와 세 개의 결합을 가진 대칭이 깨진 구조가 공존하고 있음을 밝혀냈다. 이중 촉매 반응성이 높은 구조는 비대칭성 구조임을 실험적으로 규명하고, 대칭이 무너진 백금의 구조를 선택적으로 합성하는 데 성공하였다.

▲ 교신저자 서울대 주상훈 교수·포항공대 최창혁 부교수, 공동제1저자 포항공대 김해솔 박사·울산과기원 임태정 박사·포항공대 조준식 석사과정 (사진=한국연구재단)

최창혁 교수와 주상훈 교수는 "지속 가능한 염소 생산을 위한 전극 소재 설계의 핵심 원리를 밝혔으며, 이를 실제로 구현하여 상용화 가능한 전극을 개발했다"며, "이번 연구를 바탕으로 에너지 및 환경문제 해결을 위한 다양한 전기화학 전극 소재 개발에 더욱 집중할 것"이라 전했다.

과학기술정보통신부과 한국연구재단에서 추진하는 선도연구센터, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 3일 게재되었다.

※ 논문정보
- 논문명 : Importance of broken geometric symmetry of single-atom Pt sites for efficient electrocatalysis
- 저널명 : Nature Communications
- 키워드 : chlorine evolution reaction (염소 생산 반응), single-atom catalyst (단원자 촉매), broken geometric symmetry (비대칭성), catalyst degradation (촉매 열화), Pt dissolution (백금 용해)
- 저 자 : 주상훈 교수(교신저자/서울대), 최창혁 부교수(교신저자/포항공대), 김해솔 박사(공동 제1저자/포항공대), 임태정 박사(공동 제1저자/울산과기원), 조준식 석사과정(공동 제1저자/포항공대) 외 9명