성균관대 황동목 교수 연구팀, 그린수소로 향하는 첫걸음 ‘고내구성 수소촉매’ 개발
- 자기조립된 루테늄 기반 고성능 고내구성 신개념 수소촉매 개발

□ 성균관대학교(총장 유지범) 신소재공학부 황동목 교수(교신저자) 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 수소연료전지연구센터 유성종 박사(공동 교신저자), 충남대학교 에너지과학기술대학원 정남기 교수(공동 교신저자) 그리고 미국 노스웨스턴대학교 화학과 Joseph T. Hupp 교수(공동 교신저자)와의 국제 공동연구를 통해 극한의 조건에서도 매우 안정적으로 작동하는 저비용 물질 기반의 수소생산 촉매를 개발했다고 23일 밝혔다.

□ 연료전지 구동에 필요한 핵심 연료인 수소를 생산하는데 귀금속 촉매인 백금이 주로 사용되고 있으나 값비싼 비용 때문에 이를 대체하거나 사용량을 줄이기 위한 연구가 주목받고 있다. 가장 현실적인 대안으로 루테늄 촉매가 자주 거론되고 있으며, 이의 사용량을 낮추기 위해 입자의 크기를 원자 규모로 줄이기 위한 시도가 이어지고 있으나 극도로 작은 크기의 원자들이 화학적으로 매우 불안정하여 실질적인 수소 촉매 활용에 큰 한계로 지적되어왔다.

□ 이번 연구에서는 매우 규칙적인 3차원 구조를 이루는 금속유기구조체(metal-organic framework, MOF)를 전구체로 활용하여 특정한 고온 열처리 조건에서 원자 상호 간 강한 결합력으로 재조립된 단일원자 형태의 루테늄 기반 고내구성 수소생산 촉매가 새롭게 제안되었다.

□ 제시된 단일원자 형태의 루테늄 촉매는 화학적 강한 내성을 갖는 지르코늄 산화물 지지체 위에 원리적으로 ‘강한 상호작용’으로 결합되어, 전례 없는 3만 회의 사이클 전위 안정성 테스트에서 초기 성능대비 아주 작은 성능 감소만 나타났다. 또한, 이번 연구결과에서 처음으로 제시된 고전위 유도 산화법에서도 안정적으로 루테늄 단일원자들이 존재하는 것을 확인하였다.

□ 성균관대 황동목 교수는 “이번에 제시된 신개념 수소생산 촉매는 높은 안정성뿐만 아니라 촉매 활성도 매우 우수하며, 이는 기존 백금 대비 5배 이상의 성능으로 실질적인 수소생산을 위한 큰 전환점이 될 것”이라며 “원자규모의 재조립되는 새로운 촉매제작 방식은 연료전지 및 암모니아 응용 연구 등으로 확장될 수 있을 것”이라고 설명했다.

□ 한편, 해당 연구는 노스웨스턴대학교 김만수 박사(제1저자, 성균관대 박사졸업)와 성균관대학교 박종환 학생(제3저자, 박사과정)이 참여했으며, 재료 분야 국제학술지 Advanced Functional Materials(IF: 19.9, 재료 분야 상위 5%)에 표지논문으로 선정되었다.

※ 논문명: Reconstructing Oxygen-Deficient Zirconia with Ruthenium Catalyst on Atomic-Scale Interfaces toward Hydrogen Production

6월 23일 금요일자 보도자료 - 첨부파일 참조