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[IT뉴스]비싼 백금 사용량 60% 줄인 새로운 촉매 합성법

온카뱅크관리자

2026-11-02 14:27:26

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 <img alt="윗줄 왼쪽부터 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장, 성영은 부단장, 이병훈 고려대 KU-KIST융합대학원 교수, 아랫줄 왼쪽부터 정윤·문재호·심재혁 IBS 나노입자연구단 연구원. IBS 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202611/02/dongascience/20261102141725795uhzw.png" data-org-width="672" dmcf-mid="Y7jCks8Beh" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202611/02/dongascience/20261102141725795uhzw.png" width="658">
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 윗줄 왼쪽부터 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장, 성영은 부단장, 이병훈 고려대 KU-KIST융합대학원 교수, 아랫줄 왼쪽부터 정윤·문재호·심재혁 IBS 나노입자연구단 연구원. IBS 제공
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 값비싼 백금 사용량을 60% 이상 줄이면서 수소 생산 내구성을 끌어올릴 수 있는 차세대 촉매 기술이 개발됐다. 다양한 귀금속 촉매를 개발하는 합성 전략에 활용될 것으로 기대된다. 
 기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자연구단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수), 성영은 부단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수), 이병훈 고려대 KU-KIST융합대학원 교수, 김민호 경희대 응용화학과 교수 공동연구팀이 백금 사용량을 줄이면서도 백금 함량이 14.9%에 달하는 단원자 촉매를 합성하는 데 성공했다고 2일 밝혔다. 
 촉매는 수소 생산, 자동차 배기가스 정화 등 다양한 화학반응을 돕는 물질이다. 백금은 촉매 성능이 뛰어나지만 가격이 비싸 적은 양으로 높은 효과를 내는 것이 중요하다. 백금 원자들이 뭉친 큰 입자 대신 원자를 하나씩 분산시켜 모든 원자가 반응에 활용되도록 만드는 단원자 촉매가 주목받고 있다. 
 백금 함량을 높이면 원자들이 서로 가까워져 뭉치기 쉽고 고온에서는 원자가 이동하면서 더 큰 입자로 성장할 수 있다. 백금 원자들을 충분히 떨어뜨려 놓을 수 있는 기존 방식은 대체로 백금 함량 1% 미만에서만 가능하다. 높은 백금 함량과 고른 분산을 함께 달성하기 어렵다는 것이다. 
 연구팀은 촉매를 만들기 전부터 백금 원자의 위치와 결합을 설계하는 ‘망상 배위’ 전략을 개발했다. 기존에는 완성된 산화물 표면에 백금을 붙였지만 연구팀은 산화물이 만들어지기 전 단계에서 원자를 고정했다. 금속과 유기물이 연결돼 규칙적인 그물 구조를 이루는 ‘금속-유기 골격체’를 출발 물질로 활용하고 이 구조 안에 있는 세륨과 산소로 이뤄진 원자 집합체에 백금 원자를 하나씩 고정했다. 이후 열처리를 통해 전체 구조를 세륨 산화물인 ‘세리아’로 바꿨다. 
 이렇게 만들어진 촉매는 전체 무게의 14.9%를 백금으로 채우면서도 백금 원자들이 낱개로 분산된 상태를 보였다. 
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 <img alt="망상 배위 전략을 이용한 고함량 백금 단원자 촉매 합성 모식도 및 전자 현미경 사진. IBS 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202611/02/dongascience/20261102141727088wvoh.png" data-org-width="680" dmcf-mid="GvxciNztnC" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202611/02/dongascience/20261102141727088wvoh.png" width="658">
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 망상 배위 전략을 이용한 고함량 백금 단원자 촉매 합성 모식도 및 전자 현미경 사진. IBS 제공
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 촉매 안정성도 확인됐다. 수소 환경에서 300~500℃ 고온으로 처리한 결과, 백금 원자들이 아주 작은 군집을 형성했지만 큰 입자로 성장하지는 않았다. 백금과 세리아 사이의 강한 결합이 고온 처리 후에도 백금 성장을 제한했다. 
 연구팀은 물을 전기로 분해해 수소를 만드는 고분자전해질막 수전해 장치에 고온 처리한 백금 촉매를 적용했다. 500시간 동안 운전한 결과, 촉매의 구조적 안정성이 유지됐다. 전극에 사용한 백금량은 기존 상용 촉매보다 약 63% 적었고 성능 저하를 나타내는 전압 상승 속도는 기존 대비 4분의 1 수준이었다. 
 이 교수는 “이번 연구의 핵심은 촉매를 만들기 전부터 금속 원자의 자리를 정하고 결합을 설계해 촉매의 높은 금속 함량과 안정성을 함께 확보한 것”이라며 “백금뿐 아니라 이리듐과 로듐에도 적용할 수 있어 다양한 귀금속 촉매를 개발하는 합성 전략으로 활용될 수 있다”고 말했다.
 현 단장은 “수소 생산 장치에서 확인한 성과는 이번 합성 전략의 활용 가능성을 보여주는 한 사례”라며 “향후 화학 원료 생산과 자동차 배기가스 정화 등 다양한 분야로 적용을 넓혀 귀금속을 효율적으로 사용하면서 오래 작동하는 촉매를 개발하는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 신세시스’ 온라인판에 지난달 22일 게재됐다.
 &lt;참고 자료&gt;  doi.org/10.1038/s44160-026-01204-3
 [문세영 기자 moon09@donga.com]
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