톱니 구조 고활성 백금 촉매에서 수소 발생 원리 확인
[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 정유성 생명화학공학과 교수 연구팀이 심층 학습(딥러닝)을 통해 고활성 백금 와이어의 수소 발생 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 29일 밝혔다.
백금은 전기차 등에 사용되는 연료 전지에 쓰이거나, 물의 전기 분해를 통해 수소를 얻는 데 사용되는 중요한 촉매다. 다만, 가격이 비싸 기술 보급에 상당한 부담감을 안겨준다.
이를 해결하기 위해 최근들어 백금을 톱니 와이어 모양으로 합성해 백금의 양을 10분의 1로 줄여 사용할 수 있는 연구가 개발됐다. 그래도 여전히 매커니즘을 규명하기는 쉽지 않은 상태였다.
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| 딥러닝, 양자역학 계산, 멀티스케일 기법 및 실험을 통해 새롭게 규명한 톱니 백금 와이어의 높은 수소 발생 효율 메커니즘 [자료=한국과학기술원] 2021.04.29 biggerthanseoul@newspim.com |
연구팀은 복잡한 촉매 표면의 성질을 빠르게 예측하는 딥러닝 방법들을 고안했다. 이 방법을 톱니 백금 와이어에 적용해 해당 촉매의 높은 수소 활성 메커니즘을 규명해낼 수 있었다.
연구팀이 규명한 톱니 백금 와이어에서의 수소 발생 메커니즘은 기존에 알려진 촉매 직관을 깨는 새로운 메커니즘인 것으로 밝혀졌다. 백금 표면에서는 울퉁불퉁한 구조로 인해 흡착반응이 잘 일어나는 반응 자리와 짝지음 반응을 잘 일으키는 반응 자리가 따로 존재하는 것이 확인됐다.
이 두 자리의 상승 작용으로 촉매 활성이 400% 이상 증가한다는 것이다. 분업화를 통해 일의 효율을 높이는 것과 같은 개념이 분자 세계에서도 존재한다는 게 설명됐다.
정유성 교수는 "분자 수준에서 분업을 통해 전체 반응의 효율을 높이는 개념들이 기존에도 있었으나 단일성분인 백금에서 구조에 따른 분업 현상이 규명된 것은 이번이 처음ˮ이라며 "단일성분 촉매의 구조를 변화시켜 촉매의 효율을 높일 수 있는 새로운 관점과 설계원리를 제시했다는 점에서 의미가 있다ˮ고 강조했다.
이번 연구에는 구근호 한국과기원 생명화학공학과 박사후연구원이 제1저자로, 톱니 백금 와이어를 합성한 듀안 캘리포니아대학교 로스앤젤리스(UCLA) 교수 연구팀과 고다드 캘리포니아 공과대학교(Caltech) 교수 연구팀이 함께 참여했다.
연구결과는 미국화학회가 발행하는 국제학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 온라인 3월 17일 자에 실렸다.
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