효소 닮은 촉매 통해 친환경적이고 효율적으로 수소 생산한다

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현택환(왼쪽) 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장 연구팀은 효소 작동원리를 닮은 재활용 가능한 광촉매를 개발했다는 연구결과를 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스’ 23일자에 발표했다. 남기태(가운데) 서울대 재료공학부 교수와 김형준(오른쪽) KAIST 화학과 교수 연구팀도 함께 참여했다.IBS 제공

생체 물질인 효소의 작동원리를 모사해 적은 비용으로 효율적으로 수소를 생산할 수 있는 친환경 촉매 기술이 개발됐다. 현재 사용되고 있는 값비싼 백금 촉매와 효율은 비슷하면서, 재활용이 가능해 폐기물이 발생하지 않는 게 장점이다. 향후 수소 경제 사회를 앞당기는 데 도움이 될 것으로 기대를 모으고 있다.

현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장과 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈제어소재연구단장(서울대 재료공학부 교수), 김형준 KAIST 화학과 교수팀은 효소의 작동원리를 응용해 빛으로 수소를 생산할 수 있는 촉매를 개발하는 데 세계 최초로 성공했다. 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스’ 23일자에 발표됐다.

촉매는 물질의 화학 반응 속도를 조절하는 물질이다. 화학 반응이 쉽게 이뤄지게 해 물질을 합성하거나 오염물질을 정화하는 등 다양한 용도에 활용된다. 촉매는 반응하기 전 물질의 상태와 반응 뒤 물질의 상태가 같은지 여부에 따라 '균일촉매'와 '불균일촉매'로 나뉜다. 수소를 생산할 때처럼 반응 전의 물질은 액체(물)였는데 반응 뒤에 기체(수소)로 바뀌는 등 반응 전후의 상태가 서로 다를 때 그 촉매를 불균일촉매라고 부른다.

불균일촉매는 생산비용이 싸고 재활용이 가능하지만, 효율이 낮은 게 단점이다. 또 수명이 다하면 폐기돼 땅에 매립해야 해 2차 오염을 유발하는 문제가 있었다.

연구팀은 생명체가 가진 생체 촉매인 효소를 이용해 불균일촉매의 단점을 극복했다. 효소는 온도나 산성도 등 주변 환경에 예민한 단백질 분자다. 복잡한 입체 구조를 갖고 있는데, 환경에 따라 스스로 구조를 바꿀 수 있다. 효소는 이런 ‘변신’ 능력을 활용해, 마치 야구 장갑으로 딱 맞는 크기의 야구 공을 잡듯 주변의 특정 단백질만을 골라 결합하거나, 그 단백질의 구조를 변형시킨다. 각자 자기만의 독특한 구조를 바탕으로 원하는 물질만 빠르게 골라 반응을 일으키기에 화학 반응 효율이 매우 높다는 게 장점이다.

연구팀은 이런 효소의 능력을 흉내 내 특정 조건에서 특정 물질과만 결합을 잘 하는 촉매를 만들었다. 먼저 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 위에 구리 원자를 올렸다. 여기에 연구진이 빛을 가하자, 구리와 이산화티타늄이 서로 전자를 주고받으며 이산화티타늄의 구조를 바꿨다. 야구공을 잡는 장갑의 상태가 된 것이다. 이 상태에서 반응을 시키자, 구리 원자가 하나하나 촉매로 작용했다. 촉매 작용이 끝난 뒤에는 다시 이산화티타늄의 구조가 원래대로 돌아와 재활용이 가능한 상태가 됐다. 폐기물 발생을 원천적으로 막을 수 있게 된 것이다.

연구팀은 물과 메탄올을 이용해 수소를 직접 생산하며 효율을 확인했다. 그 결과 지금까지 가장 효율이 좋은 백금/이산화티탄을 이용한 촉매와 거의 비슷한 효율을 보인다는 사실을 확인했다. 하지만 귀금속인 백금 대신 구리를 쓰기에, 생산비용은 오히려 훨씬 저렴했다. 연구팀은 “불균일촉매의 장점인 싼 생산비용과 재활용 가능성을 살리면서도 단점인 낮은 효율을 극복하는 데 성공했다”고 밝혔다.

현 단장은 “개발된 촉매를 물을 햇빛으로 수소로 생산하는 광촉매 반응에 활용하면 일상적인 온도나 압력 상태에서도 안정적이고 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있다”며 “수소 경제의 출발점이 되는 원천기술을 개발했다”고 말했다.

[고재원 기자 [email protected]]