울산과학기술원(UNIST)은 차세대 촉매로 주목받는 단원자 촉매(SACs·Single atom catalysts)를 금속 구슬을 굴리는 간단한 공정으로 합성하는 신기술을 개발했다고 11일 밝혔다. UNIST에 따르면 에너지화학공학과 백종범 교수 연구팀은 용기 안에서 금속 구슬을 충돌시키는 기술인 '볼 밀링'(Ball-Milling)을 이용해 단원자 촉매를 제조하는 데 성공했다.
단원자 촉매가 차세대 촉매로 꼽히는 이유는 덩어리 형태 금속 촉매보다 고가 희귀 금속 원료를 적게 쓸 수 있어서인데, 기존 합성법은 여러 단계의 공정을 거쳐야 할 뿐만 아니라 유기 오염물이나 유해 가스가 발생했다.
연구팀이 개발한 합성법은 용기에 금속 구슬, 질소 가스, 지지체를 넣고 돌려 단원자 촉매를 합성하는 방식이다. 금속 구슬이 서로 강하게 충돌하면 표면이 압축과 팽창을 반복해 활성 상태가 되고, 이때 지지체가 활성화된 금속을 잡아당김으로써 금속 원자가 쉽게 떨어져 나오는 원리다.
같이 넣은 질소 가스도 질소 원자 형태로 지지체 구조 안에 들어가게 되는데, 이 질소 덕분에 금속이 단일 원자 상태로 지지체에 안정하게 고정된다.
일반적인 촉매 합성에 환경오염 우려가 있는 유기 액체를 쓰는 것과 달리 이 합성법은 물조차도 필요 없으며, 일산화탄소, 염소가스 등 유해 물질이 발생하지 않아 친환경적이고 경제적이라고 연구팀은 밝혔다. 또 금속 구슬의 원료만 바꾸면 다양한 종류의 단원자 촉매를 합성할 수 있고, 용기 회전 속도, 지지체 양, 반응 시간을 변경하면 지지체에 고정되는 금속량도 쉽게 조절할 수 있다.
백종범 교수는 "기존 단원자 촉매 합성의 문제점을 한 번에 해결할 수 있는 합성법을 개발했다"며 "향후 다양한 산업에 응용할 수 있어 수소 경제와 탄소중립 사회 실현에도 크게 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.
연구 결과는 나노 공학 분야 학술지인 '네이처 나노테크놀로지'(Nature Nanotechnology)에 10일 자로 공개됐다. 연구는 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업, 우수과학연구센터, 창의소재디스커버리프로그램과 UNIST의 지원을 받아 이뤄졌다.