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현택환 단장
국내 연구진이 기존 귀금속 기반 촉매를 대체할 수 있는 저가·고효율 수소 생산 촉매를 개발했다. 기존 최고 성능 촉매 대비 가격은 월등히 싸면서도 수소 생산 효율은 거의 비슷하다.

현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단장 연구팀은 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈 제어소재 연구단 단장(서울대 교수), 김형준 카이스트 교수팀과 공동으로 우리 몸 효소와 작동원리가 유사한 불균일촉매를 개발했다고 22일 밝혔다.

연구진은 효율이 높은 균일촉매와 저렴하고 재활용 가능한 불균일촉매 장점만을 결합한 새로운 촉매를 개발했다.

광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 위에 구리 원자를 올려 효소처럼 작동하게 만든 단원자 구리·이산화티타늄 촉매다. 효소는 주변 단백질과 수소를 주고받는 상호작용으로 주변 환경과 반응하기 가장 적합한 형태로 구조를 바꿔 촉매반응에 참여한다.

연구진은 개발한 촉매가 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 상호 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고, 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것을 밝혔다.

이 촉매를 햇빛을 이용, 물로 수소를 생산하는 반응에 적용하자 전달받은 빛 40% 이상을 수소전환반응에 사용하는 것을 확인했다. 이는 성능이 가장 우수하지만 값비싼 백금·이산화티타늄 광촉매와 비등하다.

값비싼 백금 대신 구리를 사용해 경제적인 동시에 반응에 쓰인 불균일촉매는 다시 회수해 오랫동안 안정적으로 재활용할 수 있어 폐촉매가 발생하지 않는다.

가장 이상적 촉매인 효소와 유사하게 작동하는 불균일촉매를 세계 최초로 개발하고, 불균일촉매 단점인 낮은 효율 문제를 해결했다.

높은 효율, 낮은 가격, 친환경성이라는 세 마리 토끼를 모두 잡은 기술로 평가된다. 향후 수소생산은 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학공정에서도 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다.

현택환 단장은 “촉매를 햇빛으로 수소로 생산하는 광촉매반응에 적용하면 상온·상압에서도 안정적이고, 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있다”고 설명했다.

이번 연구 성과는 네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF39.2) 온라인판에 23일 실렸다.

최호 정책기자 [email protected]
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S. Korean scientists develop efficient, cheap way to make hydrogen from water

SEOUL, April 23 (Yonhap) -- South Korean scientists on Tuesday said they have developed an efficient and affordable way to make hydrogen, opening new potential for the production of the clean energy resource.

The researchers led by Hyeon Taeghwan, director of the Center for Nanoparticle Research at the Institute for Basic Science, and Seoul National University (SNU) professor Nam Ki-tae said they have, for the first time ever, successfully created a single atom heterogeneous catalysis that mimics enzymes used by the human body to convert water into hydrogen using regular light.

The process using copper and titanium dioxide as catalyst material has been published in the latest issue of Nature Materials under the title "Reversible and cooperative photoactivation of single atom copper-titanium dioxide photocatalysts."

This photo provided by the Institute for Basic Science shows hydrogen being created from water in a lab using light from a solar simulator and a single-atom heterogeneous catalyst. (Yonhap)

"The newly created platform technology utilizes copper atoms placed over nano titanium dioxide particles to create a catalyst that acts like an enzyme in creating hydrogen under normal atmospheric pressure and at room temperature," said Hyeon, who is also a distinguished professor at SNU.

Experiments showed a gram of the material used in the catalyst can create 30 milligrams of hydrogen per hour under good lighting.

Hydrogen is expensive to make despite accounting for the bulk of the mass in the known universe. If it can be made economically, the resource can solve many of the world's energy needs. The global market size for hydrogen was estimated at over US$115 billion in 2017.

Hyeon said that at present, most hydrogen is made through a methane reformation technique that is criticized for being energy-intensive, uses fossil fuel and releases greenhouse gases into the air.

The latest findings show the new method can harness more than 40 percent of the light used into a hydrogen transformation reaction, which is on par with the efficiency level of catalysts that use extremely expensive platinum.

The platinum-titanium dioxide method is regarded as the most efficient way to retrieve hydrogen from water using light.

The research team, which also includes Kim Hyungjun from the Korea Advanced Institute of Science and Technology, said the new copper-titanium dioxide catalyst can produce 33 times more hydrogen compared with just using titanium dioxide.

It said with more work, the technology can be further developed down the road for industrial level production although such a process could take time.

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