전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이
산업 에너지

속보

더보기

‘밀고 당기고’ 원자구조 조절 저비용·고효율 수소생산 촉매

기사입력 :

최종수정 :

※ 본문 글자 크기 조정

  • 더 작게
  • 작게
  • 보통
  • 크게
  • 더 크게

※ 번역할 언어 선택

UNIST, 이리듐 전자껍질 연구 개발
가격 경쟁력 갖춘 고효율 촉매 기대

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 물을 전기로 분해해 수소를 얻는 반응에는 촉매가 꼭 필요하다. 기존에는 효율이 좋은 귀금속(백금)을 썼는데 비싸다는 단점이 있다. 백금을 대체할 물질이 꾸준히 개발되는 가운데 원자 구조를 조절해 촉매 효율을 높인 연구가 나왔다.

23일 UNIST(울산과학기술원)에 따르며 이 대학 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀은 중국 연구진과 공동으로 이리듐(Ir)-질소(N)-탄소(C)로 이뤄진 수소발생 촉매를 합성하는 데 성공했다.

연구결과(논문명 “Balancing hydrogen adsorption/desorption by orbital modulation for efficient hydrogen evolution catalysis”)는 저명한 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 지난 6일 게재됐다.

수소발생반응의 반응 원리를 보여주는 모식도 : 물에 있는 수소원자가 촉매 표면에 흡착, 생성반응을 일으켜 수소분자가 되어 탈착되는 과정 2019.09.23. [자료=UNIST]

연구진에 따르면 이번에 개발한 촉매는 수소 원자를 당기고 밀어내는 두 작용을 적절히 해내, 백금보다 낮은 과전압(overpotential)에서 수소발생 반응이 일어난다. 효율과 가격 면에서 경쟁력을 갖춘 촉매인 셈이다. 과전압(overpotential)은 수소발생반응이 일어나기 위한 최소한의 에너지다.

수소발생반응에서 촉매는 두 조건을 맞춰야 한다. 먼저 물속에 있는 수소 원자가 촉매에 잘 붙고(흡착), 수소 원자가 두 개 모여 분자가 되면 촉매 표면에서 잘 떼져야(탈착) 하는 것이다.

일반적으로 수소발생 촉매의 수소 흡착(adsorption)과 탈착(desorption) 성질은 서로 반비례한다. 따라서 흡착과 탈착 반응 사이에 적절한 조율, 즉 ‘밀당’을 잘하는 물질이 좋은 촉매다.

연구진은 원자내 전자들의 모양과 에너지를 확인할 수 있는 범밀도함수 이론을 활용한 계산을 통해 질소와 탄소로 이리듐의 흡착 및 탈착 에너지를 조절하는 방법을 고안했다.

이리듐은 백금을 대체할 차세대 촉매로 꼽히는 물질이다. 하지만 수소발생반응을 위한 수소 원자를 흡작하는 부분에 어려움이 있었다. 수소 원자가 이리듐 표면에 붙는 데 필요한 에너지가 높기 때문이다.

이번 연구는 이리듐의 흡착 에너지를 낮추는 데 질소와 탄소로 이리듐 원자의 전자껍질을 조절하는 방법을 제안했다. 이리듐 주변에 전자를 좋아하는 성질이 큰 질소와 탄소를 적절히 배치해 수소 원자를 당기는 힘을 키워준 것이다. 줄다리기할 때 옆에서 도와주는 사람이 있으면 당기는 힘이 더 커지는 원리와 같다. 물질은 원자로 이뤄져 있고, 원자는 원자핵과 전자로 구성되는데, 전자가 있는 전자껍질을 원자 궤도 또는 원자 오비탈(Orbital)이라고 한다. 양자역학적 개념으로 전자의 분포 확률을 의미한다.

연구진은 이런 내용을 원자 내 전자들의 모양과 에너지를 확인할 수 있는 ‘범밀도함수 이론’으로 계산했다. 이론적 계산 결과를 검증하기 위해 가운데 공 모양의 빈 공간을 갖는 ‘이리듐-질소-탄소(IrHNC)’ 촉매를 합성했다. 공 모양의 플라스틱(폴리스타이렌) 입자 표면에 세 원소를 입힌 후 플라스틱을 제거하는 방식을 쓰자, 속 빈 원형의 입자 표면에 이리듐과 질소, 탄소가 균일하게 분포됐다.

이 촉매의 전기화학적 수소발생 성능을 산성(acid) 환경에서 확인한 결과, 백금 촉매(Pt/C)와 순수한 이리듐(Ir) 나노입자보다 훨씬 뛰어났다. 또 열분석장비로 살펴본 결과 귀금속인 이리듐 함량도 7% 정도로 확인됐다. 이리듐 역시 귀금속이지만 소량만 사용하면서 값싼 탄소와 질소와 섞어 고효율 촉매를 만들어낸 것이다.

제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공학부의 펑 리(Feng Li) 박사는 “좋은 성능만 좇아 새로운 물질을 합성하는 방식에서 ‘전자껍질(오비탈)을 조절하는 새로운 방법’으로 촉매 효율을 높인 연구”라며 “이번에 쓰인 방식을 활용하면 다른 금속 기반의 촉매를 설계하는 데도 도움이 될 것”이라고 했다.

백종범 교수는 “질소나 탄소에 비해 상대적으로 가격이 고가인 이리듐을 아주 소량만 사용해 고효율 촉매 개발에 성공했다”며 “상용화할 경우 가격 경쟁력을 갖출 수 있을 것”이라고 전망했다. 

kimys@newspim.com

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
낸드 시장도 1Q '가격 쇼크' [서울=뉴스핌] 김아영 기자 = 올해 1분기 낸드(NAND) 플래시 시장에 전분기 대비 40% 이상의 유례없는 가격 폭등이 예상된다. 인공지능(AI) 데이터센터 투자 확대로 기업용 고성능 SSD(eSSD) 수요가 폭증한 반면, 제조사들이 투자 자원을 D램(DRAM)에 집중하면서 발생한 심각한 공급 부족이 가격 상승을 견인하고 있다. 특히 북미 클라우드 업체들의 수요가 몰리는 기업용 SSD는 최대 58%까지 가격이 상승할 것으로 보여 상반기 내내 강세가 지속될 것으로 분석된다. SK하이닉스가 세계 최초로 양산한 모바일용 낸드 설루션 제품 'ZUFS 4.1' [사진=SK하이닉스] 3일 시장조사업체 카운터포인트리서치에 따르면, 1분기 기가바이트(GB)당 낸드 플래시 평균 가격은 40% 인상될 전망이다. 특히 공급 우선순위에서 밀린 소비자용 제품의 타격이 크다. PC에 쓰이는 저사양 128GB 제품은 최근 50% 수준의 프리미엄이 붙어 거래되고 있다. 이러한 수급 불균형은 주요 공급사들이 AI 서버용 물량을 우선 배정하며 소비자용 생산을 감축한 영향이 크다. 여기에 작년 12월 마이크론이 리테일 사업 철수를 발표한 점도 시장 불안을 키우고 있다. 최정구 카운터포인트 수석 연구원은 "4분기 디램에서 보았던 레거시 디램 가격 폭등이 1분기 낸드에서 재현되는 양상"이라고 언급했다. 현재 삼성전자와 SK하이닉스, 마이크론이 증설을 추진 중이나 실제 양산까지는 시차가 존재한다. 작년 가동한 키옥시아의 기타카미(Kitakami) 팹2 역시 올해 하반기에야 생산량에 유의미한 기여를 할 것으로 보여, 단기적인 가격 강세는 불가피할 전망이다. 업계에서는 특히 북미 클라우드 서비스 제공업체(CSP)의 주문이 집중되면서 기업용 SSD 가격은 이번 분기에만 전 분기 대비 53~58% 급등할 것으로 예상한다. 데이터 저장장치인 낸드가 AI 메모리 열풍의 한 축으로 부상하며 기업용 시장을 중심으로 강력한 가격 상승 압박을 받는 것으로 분석된다. aykim@newspim.com 2026-02-03 14:57
사진
올해부터 제헌절도 '쉰다' [서울=뉴스핌] 김미경 기자 = 7월 17일 제헌절이 올해부터 다시 공휴일이 된다. 공휴일에서 제외된 2008년 이후 18년 만이다. 인사혁신처는 3일 제헌절을 공휴일로 지정하는 내용을 담은 공휴일에 관한 법률 개정안의 공포안이 국무회의에서 의결됐다고 밝혔다. 이 법안은 공포 3개월 뒤부터 시행된다. 이재명 대통령이 지난해 7월 15일 서울 용산 대통령실에서 31회 국무회의를 주재하고 있다. [사진=청와대] 제헌절은 대한민국 헌법이 공포된 1948년 7월 17일을 기념하는 날이다. 1949년 국경일·공휴일로 지정됐으나 '주5일제' 도입 이후 공휴일을 조정하면서 2008년에 공휴일에서 제외됐다. 이재명 정부는 헌법 정신을 되돌아보는 계기를 마련하고자 제헌절을 공휴일로 재지정하는 방안을 추진, 지난달 29일 국회 본회의에서 공휴일법 개정안이 통과됐다. 개정된 공휴일법이 시행되면 5대 국경일(3·1절, 제헌절, 광복절, 개천절, 한글날)이 모두 공휴일이 된다. 인사처는 '관공서의 공휴일에 관한 규정' 개정 등 후속 조치를 신속히 추진할 계획이다. the13ook@newspim.com 2026-02-03 16:37
기사 번역
결과물 출력을 준비하고 있어요.
종목 추적기

S&P 500 기업 중 기사 내용이 영향을 줄 종목 추적

결과물 출력을 준비하고 있어요.

긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
안다쇼핑
Top으로 이동