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
전현무, 순직 경찰관 관련 발언 사과 [서울=뉴스핌] 최문선 기자 = 방송인 전현무가 순직한 경찰관을 언급하는 과정에서 부적절한 표현을 사용해 사과했다. 23일 전현무의 소속사 SM C&C는 입장문을 내고 "해당 방송에서 사용된 일부 표현으로 인해 고인과 유가족분들께 상처를 드린 점에 대해 무거운 책임을 느끼고 있다"며 "어떠한 맥락이 있었더라도 고인을 언급하는 자리에서 더욱 신중했어야 했다"고 밝혔다. [서울=뉴스핌] 이형석 기자 = 방송인 전현무. leehs@newspim.com 소속사 측은 "전현무는 출연자의 발언을 정리하는 과정에서 일부 단어를 그대로 언급했고, 표현의 적절성을 충분히 살피지 못했다"며 "그로 인해 고인에 대한 예를 다하지 못한 점을 무겁게 받아들이고 있다"고 해명했다. 이어 "고인과 유가족분들께 진심으로 사과드리며, 시청하며 불편함을 느끼셨을 분들께도 죄송하다는 말씀을 드린다"며 "보다 엄격한 기준과 책임감을 갖도록 내부적으로 점검하고 재발 방지에 만전을 기하겠다"고 덧붙였다. 이번 논란은 디즈니 플러스 예능 프로그램 운명전쟁49 2화 방송에서 불거졌다. 해당 회차에서는 무속인들이 과거 사건을 언급하며 사인을 추리하는 장면이 담겼고, 이 과정에서 전현무가 고(故) 경찰관의 사인을 설명하며 비속어를 사용해 비판을 받았다. 논란이 된 발언은 2004년 흉기에 찔려 순직한 고(故) 이재현 경장을 언급하는 과정에서 나왔다. 고인은 당시 서울 서부경찰서 강력반 형사로 근무하던 중, 마포구의 한 커피숍에서 폭력 사건 피의자를 검거하려다 범인이 휘두른 흉기에 찔려 숨졌다. 방송 이후 시청자들 사이에서는 순직 경찰관과 관련된 사안을 예능적 맥락에서 다루는 데 대한 문제 제기와 함께, 표현의 부적절성을 지적하는 비판이 이어졌다. moonddo00@newspim.com 2026-02-24 08:52
사진
음주운전 부장판사 감봉 3개월 징계 [서울=뉴스핌] 홍석희 기자 = 서울중앙지법 소속 현직 부장판사가 음주운전으로 감봉 처분을 받았다. 23일 법조계에 따르면 대법원은 지난 3일 서울중앙지법 A 부장판사에게 감봉 3개월 징계를 내렸다. A 부장판사는 지난해 12월 13일 오후 3시 1분께 면허 정지 수준인 혈중알코올농도 0.071% 상태로 중랑구 사가정역 근처 한식당에서 약 4㎞가량 승용차를 운전하다 적발된 것으로 알려졌다. 대법원은 "법관으로서의 품위를 손상하고 법원의 위신을 떨어뜨렸다"고 했다. A 부장판사는 현재 서울중앙지법 민사 재판부에 소속돼 있다. 서울중앙지법 소속 현직 부장판사가 음주운전으로 감봉 처분을 받았다. 서울 서초동 서울중앙지법. [사진=뉴스핌DB] hong90@newspim.com 2026-02-23 09:29
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