GIST "수소 발생 촉매 반응 원리 세계 최초 규명"

(광주=뉴스1) 조영석 기자 = 국내 연구진이 금속이 전자를 많이 잃은 고산화 상태에서 수소 발생 반응(HER)이 일어나는 새로운 반응 원리와 경로를 규명해 주목된다.

광주과학기술원(GIST)은 서준혁 화학과 교수 연구팀이 텅스텐(W) 금속에 디티올렌(dithiolene)이란 독특한 리간드(ligand) 분자가 결합한 착화합물을 이용해 '수소 결합'이 수소 발생 반응을 어떻게 도울 수 있는지를 입증했다고 16일 밝혔다.

GIST에 따르면 이번 연구는 고산화 상태의 금속을 이용한 수소 발생 반응의 작동 원리를 밝혀낸 것으로 차세대 촉매를 어떻게 설계해야 할지에 대한 새로운 방향을 제시했다는 평가를 받는다.

수소 발생 반응은 수소 가스를 친환경 에너지원으로 활용하기 위한 핵심 기술로 최근엔 금속 주변에 붙어 있는 분자들이 금속 성질을 바꾸고 반응을 조절하는 역할에도 관심이 커지고 있다.

특히 디티올렌은 금속 이온을 안정적으로 유지해 주는 리간드로 잘 알려져 있었지만 고산화 상태 텅스텐 화합물에서 이 분자가 수소와 결합하고 양성자 전달까지 돕는다는 사실은 실험적으로 확인되지 않았었다.

연구팀은 이번 실험을 통해 텅스텐 착화합물 내에서 약산성 물질이 금속에 결합한 산소(W=O)와 디티올렌 분자의 황(S) 원자 등 2곳에 동시에 수소 결합을 형성하며, 이를 통해 전자와 양성자가 함께 이동해 수소 발생 반응이 원활히 일어나는 전자 구조가 만들어진다는 것을 세계 최초로 입증했다.

연구팀은 단결정 X선 구조 분석을 통해 약산성 물질인 트라이에틸암모늄을 화합물에 첨가했을 때 금속의 산소와 디티올렌 분자의 황 원자에 동시에 수소 결합이 형성된다는 사실을 확인했다.

수소(H) 대신 무거운 동위원소인 중수소(D)를 사용한 실험에서도 반응 속도 차이(H/D 비율 1.62)가 나타나 수소 결합을 통한 양성자 이동 과정이 반응 속도에 직접 영향을 준다는 사실이 입증됐다는 게 연구팀의 설명이다.

서 교수는 "이번 연구를 통해 금속 주변에 결합한 분자가 단순히 금속을 안정화하는 데 그치지 않고 전자와 양성자의 이동을 실질적으로 돕는다는 사실을 실험으로 입증했다"며 "이로써 인공광합성, 이산화탄소 전환, 수전해 기술 등 차세대 에너지 전환 반응의 기본 원리를 더 깊이 이해하고 설명할 수 있게 됐다"고 말했다.

서 교수와 김진 교수(순천대), 김선희 박사(KBSI·중앙대), 조경빈 교수(전북대)가 지도하고 GIST 화학과 이원중 박사과정생이 주저자로 참여한 이번 연구 결과는 독일화학회가 발행하는 국제학술지 '앙게반테 케미 국제판'(Angewandte Chemie International Edition, ACIE) 온라인에 지난달 22일 게재됐다.

kanjoys@news1.kr