전기도금 공정 활용한 차세대 단일원자 백금 촉매 구현

높은 촉매 활성을 지닌 단일원자 백금촉매를 전기도금기술을 활용한 저비용 공정으로 구현함으로써, 그린수소 활성화의 난제였던 고가의 귀금속 촉매 의존 문제를 해결할 새로운 전략이 제시됐다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대 황동목 교수 연구팀이 미국 노스웨스턴대 조셉 헙(Joseph T. Hupp) 교수팀과 협력해, 고가의 귀금속 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 초고효율 단일원자 촉매 연구 전략을 제시했다고 밝혔다.

그린수소 상용화를 가로막는 주요 걸림돌 중 하나는 백금 등 값비싸고 희귀한 귀금속 촉매의 과다 사용 문제다. 이를 해결하기 위해 새로운 촉매기술 개발 경쟁이 활발하게 전개되고 있다.

특히, 금속 촉매를 원자 단위까지 줄여 귀금속 사용량을 최소화하는 단일원자 촉매는 기존 귀금속 촉매의 고비용·희소성 문제를 극복할 수 있는 유력한 대안으로 주목받아 왔다.

그러나 단일원자 상태의 불안정성으로 인해 높은 촉매 활성과 안정성을 동시에 확보하면서, 원자 단위로 균일하게 분산된 ‘진정한’ 단일원자 촉매를 구현하는 것은 여전히 도전적인 과제로 남아 있었다.

연구팀은 고유의 높은 활성도를 유지하면서 모든 원자를 단일원자로 안정적으로 고정한 단일원자 백금촉매를 간단한 전기도금 공정을 통해 구현했다. 이를 통해 귀금속 사용량을 획기적으로 줄이면서도 세계 최고 수준의 수소 생산 촉매 성능을 확보했다.

이번에 구현된 단일원자 백금촉매는 다공성 탄소 지지체 표면의 산화·환원 거동을 조절함으로써, 간단한 전기도금 방식으로 지지체 표면에 균일하고 안정적으로 고정될 수 있음을 확인했다.

‘다공성 탄소 지지체’란 내부에 미세한 기공(구멍)이 많은 탄소 소재로, 금속 원자나 입자를 효과적으로 분산·고정해 촉매 성능과 안정성을 높여주는 역할을 한다.

이 단일원자 백금촉매는 수소 생산 반응에서 상용 백금촉매 대비 몇 % 수준의 매우 적은 백금 함량으로도 상용 촉매보다 더 뛰어난 성능을 보였다. 또한 낮은 과전압(≈50 mV) 조건에서 단일원자 하나가 초당 약 290개의 수소 분자를 생산하는 등 기존 촉매를 크게 능가하는 최고 수준의 촉매 성능을 실험적으로 입증했다.

더불어 정밀 전산 모사를 통해, 지지체와 단일원자 간 상호작용이 촉매 활성 부위의 전자적 조율을 이끌어내며 촉매 활성에 기여하는 메커니즘을 규명했다.

황동목 교수는 “단순한 성능 향상을 넘어 다양한 귀금속 단일원자 촉매 개발에 적용될 수 있는 체계적인 연구 전략을 제시한 것”이라며, “단일촉매 제조를 위한 전기도금 방식은 산업적으로 확장이 용이해, 기존 귀금속 전기화학 촉매의 고비용·희소성 문제를 해결할 새로운 돌파구가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.