KAIST, 에너지 1000배 아끼고 효율 6배 높인 수소 생산기술 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 김일두 교수 연구팀과 전기및전자공학부 최성율 교수 연구팀이 강력한 빛을 짧게 쬐어주는 것만으로 고성능 나노 신소재를 합성하는 '직접접촉 광열처리' 합성 플랫폼을 개발했다고 20일 밝혔다.

연구팀은 빛을 아주 짧게 비추는 것만으로 순간적으로 3000도의 초고온을 만들어내는 촉매 합성 기술을 개발했다. 단단하고 잘 반응하지 않는 '나노다이아몬드'를 전기가 잘 통하고 촉매로 쓰기 좋은 고성능 탄소 소재 '탄소 나노어니언'으로 바꾸는 게 가능하다.

이를 통해 기존 열선 가열 기반의 열처리 공정보다 에너지 소비를 1000분의 1 수준으로 줄이면서, 공정 속도는 수백 배 이상 단축했다.

이 과정에서 전환된 탄소 나노어니언 표면에 금속 원자를 하나하나 달라붙게 만들어 촉매 기능까지 동시에 구현했다.

탄소 나노어니언은 탄소 원자가 양파처럼 여러 겹으로 쌓인 초미세 구형태다. 전기 전도도와 내화학성이 뛰어나 촉매를 지지하는데 적합하다.

기존에는 합성 뒤 다시 촉매를 부착하는 복잡한 공정과 오랜 열처리가 필요했는데, 연구팀은 빛 에너지를 열로 전환하는 '광열효과'를 이용해 문제를 해결했다.

탄소 나노어니언의 전구체인 나노다이아몬드에 빛을 잘 흡수하는 '카본블랙'을 섞은 뒤, 제논 램프로 강한 빛을 터뜨리는 방식을 고안했다.

그 결과 단 0.02초 만에 나노다이아몬드가 탄소 나노어니언으로 전환, 분자동역학 시뮬레이션에서도 이 과정이 물리적으로 충분히 가능한 것으로 확인됐다.

이 공정에 백금 등 금속 전구체를 함께 넣으면 금속 원자가 갓 생성된 탄소 나노어니언 표면에 즉시 달라붙는다. 이후 빠르게 냉각해도 원자들이 뭉치지 않아 소재 합성과 촉매 기능화을 통합할 수 있었다.

연구팀은 이 기술을 활용해 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등 8종의 고밀도 단일원자 촉매를 성공적으로 합성했다.

김 교수는 "초고속 합성–단일원자 촉매 기능화 통합 공정은 수소 에너지, 가스 센서, 환경 촉매 등 다양한 응용 분야의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 전도경 박사과정·신하민 박사, KAIST 전기및전자공학부 차준회 박사가 공동 제1저자로, 최 교수와 김 교수가 교신저자로 참여했다.

연구 결과는 나노 및 화학 분야 국제학술지 '미국화학회(ACS) 발간 'ACS 나노'에 속표지 논문으로 게재됐다.

jongseo12@news1.kr