서울 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.

연구 배경

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.

연구 성과

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.
* 공기 소성 : 공기 중에서 물질을 높은 온도로 가열하는 공정. 주로 유기물이나 불순물을 제거하고, 금속 입자와 지지체의 구조를 안정화하거나 원하는 화학적 상태를 형성하는 데 사용된다.

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 5만285밀리몰(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.

기대 효과

이번에 제안된 원자 수 조절 백금 클러스터 촉매 합성법은 액상 유기 수소 운반체 기반 수소 저장·운송 기술의 실용화를 앞당기는 핵심 기술로 활용될 전망이다.

연구팀은 균일한 클러스터 촉매를 실험실 수준의 단일 공정만으로 수십 그램(g) 규모까지 제조할 수 있음을 확인했으며, 이론적으로는 생산 규모 확대에 한계가 거의 없다는 점도 제시했다. 이는 기존에 1그램 수준의 합성도 어려웠던 클러스터 촉매의 생산성을 크게 높인 성과다. 특히 적은 양의 백금으로도 높은 수소 생산성과 내구성을 확보할 수 있어, 해당 기술은 향후 경제성 있는 수소 생산 촉매 플랫폼으로 확장될 가능성이 크다.

또한 이 합성법은 수소 생산 반응 뿐 아니라 귀금속 사용량 절감이 중요한 다양한 촉매 공정에도 활용될 수 있다. 이번 합성 전략의 주요 개념은 백금/알루미나(Al2O3) 촉매에만 국한되지 않고, 다양한 금속과 지지체 조합으로 확장 적용이 가능하기 때문이다. 따라서 이번 기술이 산업적으로는 대량 생산이 가능한 고효율 클러스터 촉매 합성 방법으로 상용화되고, 사회적으로는 대용량 수소 저장·운송 기반의 청정수소 공급망 구축에 기여할 것으로 기대를 모은다.

연구진 의견

박정원 교수는 “이번 성과는 수소 저장 및 운송에 활용되는 액상 유기 수소 운반체에서, 최소량에 가까운 백금으로도 높은 수소 생산 활성과 장기 안정성을 동시에 구현할 수 있는 균일 클러스터 촉매 합성 전략을 제시했다는 점에서 그 의미가 크다”며 “특히 원자 개수가 조절된 백금 클러스터를 지지체 위에 강하게 결합하고, 클러스터 구조와 수소 생산 활성 간의 관계를 원자 개수 수준에서 규명함으로써 기존 촉매 설계의 한계를 넘어설 수 있는 새로운 방향을 제시했다”고 밝혔다.

이어 “실험실 규모를 넘어 대량 합성 가능성을 시사한 이번 설계 전략은 향후 추가적인 스케일업과 지지체 최적화를 통해 산업 현장에 적용 가능한 고효율 수소 생산 촉매로 발전할 수 있을 것으로 기대한다”며 “이번 기술은 액상 유기 수소 운반체 기반 수소 기술의 상용화를 앞당기는 데 기여할 뿐 아니라, 다양한 촉매 반응에 적용 가능한 원자 개수 수준의 정밀 촉매 제조법으로 활용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

연구진 진로

논문의 제1저자인 송찬경 박사는 서울대 화학공정신기술연구소에서 ‘원자 수준에서 조절되는 클러스터 영역 구조 합성 및 분석’ 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 향후 범용적인 균일 클러스터 합성 기술을 수소 생산 반응 등 도전적인 화학반응에 적용하는 후속 연구를 이어가며, 독립 연구자로서의 연구 기반을 확장해 나갈 예정이다.

공동 제1저자인 정준혁 연구원은 서울대 화학생물공학부에서 박사학위를 취득 후, 삼성전자에서 근무하며 연구를 이어가고 있다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 탑-티어(Top-tier) 연구기관 간 협력 플랫폼 구축 및 공동연구 지원사업, 국가 수소 중점 연구실(H2NEXTROUND) 사업의 지원을 받아 수행됐다.

참고자료

· 논문명/저널 : Dependence of catalytic properties of strongly supported platinum clusters with atom counts, Science
· DOI : https://doi.org/10.1126/science.aeb3087

웹사이트: https://eng.snu.ac.kr/