백금 10분의 1만 쓰고 수소 뽑는 촉매, 서울대·스탠포드가 만들었다

• 서울대와 스탠포드 공동연구진이 수소 생산용 차세대 촉매기술을 개발함

  • 연구에는 서울대 화학생물공학부 박정원 교수팀과 스탠포드 화학공학부 토마스 F. 하라미요, 마테오 카그넬로 교수팀이 참여함
  • 성과는 국제학술지 사이언스에 게재됨
  • 과기정통부의 탑-티어 연구기관 간 협력플랫폼 구축 및 공동연구 지원 사업을 통해 진행된 연구임

• 핵심은 비싼 백금을 훨씬 덜 쓰면서도 수소 생산 성능을 끌어올렸다는 점임

  • 수소 생산 촉매에 쓰이는 귀금속 백금 사용량을 기존 상용 촉매 대비 10분의 1 수준으로 줄임
  • 그런데 수소 생산량과 촉매 수명, 즉 내구성은 오히려 향상됨
  • 비용이 병목인 촉매 분야에서 이건 꽤 센 결과임

• 왜 이게 중요하냐면, 수소 운송 방식의 약점을 건드리는 기술이기 때문임

  • 수소는 탄소중립 사회의 핵심 청정 에너지원으로 꼽히지만, 대용량 장거리 운송은 여전히 까다로움
  • 고압가스나 액화수소 방식은 안정성과 비용 측면에서 한계가 있음
  • 그래서 액체 연료처럼 다룰 수 있는 액상유기수소운반체, 즉 LOHC 기술이 대안으로 주목받고 있음
  • 문제는 LOHC에서 다시 수소를 뽑아낼 때 값비싼 백금 촉매가 필요하다는 점이었음

• 연구팀은 백금 원자를 지지체에 더 직접적이고 안정적으로 붙이는 방식으로 접근함

  • 백금 원자 주변의 리간드를 제거하고, 백금 원자를 지지체에 직접 결합하는 촉매 합성 전략을 도입함
  • 백금 원자가 지지체 위에서 가장 안정한 위치를 찾도록 유도함
  • 이후 수소 처리 과정을 거쳐 약 1나노미터 크기의 백금 원자 클러스터를 균일하게 만드는 데 성공함
  • 1나노미터는 머리카락 굵기의 약 10만분의 1 수준임

• 여기서 재밌는 디테일은 “같은 크기처럼 보이는 입자도 사실은 다르다”는 점임

  • 연구팀은 새 전자현미경 분석법으로 비슷한 크기의 백금 클러스터라도 구성 원자 수가 13개에서 31개까지 다를 수 있음을 밝혀냄
  • 기존에는 비슷한 크기의 촉매 입자라면 비슷한 성능을 낼 거라고 보는 시각이 강했음
  • 이번 연구는 원자 개수 자체가 수소 생산 성능과 내구성의 핵심 변수라는 점을 입증함

• 역할 분담도 꽤 정석적인 국제공동연구 형태임

  • 서울대 연구진은 촉매 제조, 구조 규명, 반응 성능 검증 실험을 맡아 핵심 결과를 확보함
  • 스탠포드 연구진은 나노소재와 원자 수준 현상 해석 전문성을 바탕으로 백금 원자 개수와 수소 생산 효율의 관계를 계산함
  • 실험 결과와 계산 기반 해석을 맞물려서 촉매의 구조와 성능 사이의 연결고리를 설명한 셈임

• 산업화 가능성도 완전히 뜬구름은 아님

  • 새 합성법은 실험실 규모에서 수십 그램 단위 대량 합성이 단일 공정으로 가능함을 확인함
  • 물론 실제 상용 플랜트까지 가려면 공정 안정성, 장기 내구성, 비용 검증이 더 필요함
  • 그래도 촉매 연구가 논문용 샘플에서 끝나지 않고 대량 합성 가능성을 같이 보여줬다는 건 꽤 의미 있음

---

기술 맥락

• 이 연구의 선택지는 명확해요. 수소를 더 안전하고 싸게 옮기려면 LOHC 같은 액체 기반 운반 방식이 유리한데, 다시 수소를 꺼내는 단계에서 백금 촉매 비용이 발목을 잡거든요. 그래서 백금을 덜 쓰면서도 반응 성능을 유지하는 게 핵심 문제였어요.

• 연구팀이 택한 방법은 백금 입자를 그냥 작게 만드는 게 아니에요. 리간드를 제거하고 백금 원자가 지지체에 직접 붙도록 만들어서, 원자가 더 안정적인 위치에 자리 잡게 한 거예요. 이렇게 해야 수소 추출 과정에서 원자가 쉽게 흩어지지 않고 내구성도 좋아져요.

• 특히 원자 개수를 본 게 중요해요. 나노입자는 겉보기 크기가 비슷하면 비슷한 성능을 낼 거라고 생각하기 쉬운데, 이번 연구에서는 13개와 31개처럼 실제 원자 수 차이가 반응 성능과 내구성에 영향을 준다는 걸 보여줬어요.

• 산업적으로도 의미가 있는 이유는 수십 그램 단위 합성이 단일 공정으로 가능하다는 점이에요. 촉매 연구는 성능이 좋아도 합성이 너무 복잡하면 공장으로 못 가는 경우가 많은데, 이번 결과는 대량 합성으로 이어질 여지를 같이 보여준 셈이에요.