원자구조 조절해 촉매효율 높인 연구나와

이기암 기자 / 기사승인 : 2019-09-23 15:45:39
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UNIST 백종범 교수팀, 탄소․질소로 이리듐(Ir) 오비탈(전자껍질) 조절
가격 경쟁력 갖춘 고효율 촉매 기대
▲ UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀이 중국 연구진과 공동으로, 이리듐(Ir)-질소(N)-탄소(C)로 이뤄진 수소발생 촉매를 합성했다고 밝혔다. 백종범교수(왼쪽)와 펑리박사.

 

[울산저널]이기암 기자=UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀이 중국 연구진과 공동으로, 이리듐(Ir)-질소(N)-탄소(C)로 이뤄진 수소발생 촉매를 합성했다고 밝혔다. 연구진은 이 촉매는 수소 원자를 당기고 밀어내는 두 작용을 적절히 해내, 백금보다 낮은 과전압(수소발생반응이 일어나기 위한 최소한의 에너지) 수소발생 반응이 일어나 효율과 가격 면에서 경쟁력을 갖춘 촉매라고 전했다.


연구진은 “물속에 있는 수소 원자가 촉매에 잘 붙고, 수소 원자가 두 개 모여 분자가 되면 촉매 표면에서 잘 떼져야 하는 데, 일반적으로 수소발생 촉매의 수소 흡착과 탈착성질은 서로 반비례하고 따라서 흡착과 탈착 반응 사이에 적절한 조율, 즉 ‘밀당’을 잘하는 물질이 좋은 촉매”라고 설명했다. 또 연구진은 원자내 전자들의 모양과 에너지를 확인 할 수 있는 범밀도함수 이론을 활용한 계산을 통해, 질소와 탄소로 이리듐의 흡착 및 탈착 에너지를 조절하는 방법을 고안했다. 이리듐은 백금을 대체할 차세대 촉매로 꼽히는 물질이지만, 수소발생반응을 위한 수소 원자를 흡착하는 부분에 어려움이 있었다.

하지만 이번 연구에서는 이리듐의 흡착 에너지를 낮추는 데 ‘질소와 탄소로 이리듐 원자의 전자껍질(물질은 원자로 이뤄져있으며, 원자는 원자핵과 전자로 이루어져있다. 그 전자가 있는 전자껍질을 원자 궤도 또는 원자 오비탈이라고 한다)을 조절’하는 방법을 제안했다. 연구진은 “이리듐 주변에 전자를 좋아하는 성질이 큰 질소와 탄소를 적절히 배치해 수소 원자를 당기는 힘을 키워준 것으로 줄다리기할 때 옆에서 도와주는 사람이 있으면 당기는 힘이 더 커지는 원리와 같다”고 설명했다. 

제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공학부의 펑리(Feng Li) 박사는 “좋은 성능만 쫓아 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 전했다. 백종범 교수는 “질소나 탄소에 비해 상대적으로 가격이 고가인 이리듐을 아주 소량만 사용해 고효율 촉매 개발에 성공했다”며 “상용화될 경우 가격 경쟁력을 갖출 수 있을 것”이라고 전망했다.

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