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(왼쪽부터)_박서학 박사과정 안재완 박사, 전도경 박사과정, 최성율 교수,_김일두 교수, 박충성 박사,신의철 박사과정 /KAIST 제공

[투데이에너지 장재진 기자] 수소와 같은 청정에너지를 효율적이고 경제적으로 생산하기 위한 촉매 재료 합성 기술이 주요 연구 과제로 주목받고 있는 가운데, KAIST 연구진이 획기적인 성과를 거두었다.

KAIST 신소재공학과 김일두 교수 연구팀과 전기및전자공학부 최성율 교수 연구팀은 빛을 단 0.02초 비춰 3000℃의 초고온을 구현하고, 이를 통해 수소 생산 촉매를 효율적으로 제작할 수 있는 플랫폼 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

이 기술은 에너지 소비를 기존 방식 대비 1000분의 1로 줄이면서 수소 생산 효율을 최대 6배 높이는 결과를 가져왔으며, 미래 청정에너지 기술의 상용화를 앞당길 핵심 돌파구로 평가된다.

이번에 개발된 기술은 '직접접촉 광열처리(Direct-contact photothermal annealing)' 합성 플랫폼으로, 짧고 강력한 빛을 쬐어 순간적으로 고성능 나노 신소재를 합성한다. 연구팀은 나노다이아몬드(nanodiamond)에 빛을 흡수하는 카본블랙을 혼합한 뒤 제논 램프로 강한 빛을 터뜨려, 0.02초 만에 나노다이아몬드를 전기가 잘 통하고 촉매 지지체로 적합한 '탄소 나노어니언(Carbon Nanoonion)'으로 전환하는 데 성공했다. 이 과정은 기존 열선 가열 방식의 열처리 공정보다 에너지 소비를 1000분의 1로 줄이고, 공정 속도를 수백 배 이상 단축시켰다.

더욱 주목할 점은, 이 플랫폼이 탄소 나노어니언 합성뿐만 아니라 촉매 기능까지 동시에 구현한다는 것이다. 연구팀은 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등 8종의 금속 전구체를 함께 투입하여 금속 원자들이 갓 생성된 탄소 나노어니언 표면에 원자 단위로 안정적으로 부착되도록 했다. 이로써 '백금 단일원자 촉매-탄소 나노어니언'이 기존보다 6배 효율적으로 수소를 생산할 수 있음이 입증되었으며, 이는 고가 금속의 사용량을 크게 줄이면서도 높은 효율을 유지할 수 있음을 의미한다.

김일두 교수는 "강한 빛을 0.02초도 안 되는 짧은 시간 동안 조사해 3000℃까지 상승시키는 직접접촉 광열처리 기술을 최초로 구현했다"며, "기존 열처리 대비 에너지 소비를 1000배 이상 줄인 초고속 합성-단일원자 촉매 기능화 통합 공정은 수소 에너지, 가스 센서, 환경 촉매 등 다양한 응용 분야의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구 결과는 전도경 박사과정(KAIST 신소재공학과), 신하민 박사(현 ETH Zurich 박사후연구원), 차준회 박사(현 SK하이닉스 연구원)가 공동 제1저자로 참여했으며, 최성율 교수(전기및전자공학부)와 김일두 교수(신소재공학과)가 교신저자로 참여했다.

연구 성과는 나노 및 화학 분야의 세계적 학술지인 미국화학회(ACS) 발간 'ACS Nano' 9월호 속표지 논문으로 게재되어 그 우수성을 인정받았다.

기존 열복사 합성방식의 한계와 직접접촉 광열처리를 통한 탄소 나노어니언 전환 모식도 /KAIST 제공

■ 용어 설명

1. 탄소 나노어니언= 탄소 원자가 양파처럼 여러 겹의 sp2 탄소의 동심원 구형으로 배열된 나노 구조체를 의미함. 높은 전기 전도성과 넓은 비표면적을 가져 에너지 저장 장치, 촉매 등 다양한 분야에서 활용될 수 있음.

2. 단일원자 촉매= 촉매 활성을 갖는 금속 원자가 지지체 위에 원자 단위로 개별 분산된, 가장 이상적인 형태의 불균일 촉매를 의미함. 모든 원자가 반응에 참여해 원자 효율을 극대화할 수 있음.

3. 광열효과= 빛이 물질에 흡수되었을 때 나타나는 현상으로, 빛에너지가 물질내의 전자와의 상호작용으로 열에너지로 변환되는 현상.

4. 제논 램프=: 제논 기체가 특정 압력으로 채워진 램프로 가스 방점 램프의 한 종류. 이온화된 제논 가스에 전기를 통과시키면 다양한 파장대의 빛을 가진 백색광을 방출하게 됨.

5. 수소발생반응=: 촉매 표면에서 수소 이온(H+)이 전자를 받아 수소 기체(H2)로 환원되는 전기화학 반응을 의미함. 이 반응은 물을 전기분해하여 청정 연료인 수소를 생산하는 핵심 과정으로, 고효율 촉매를 통해 반응에 필요한 에너지를 낮춤으로써 그린 수소 생산 기술에 활용될 수 있음.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)