SULZEE - Lee Young Hwan

 

  몸속 효소 원리 모방한 광촉매 제작…수소생산효율 50% 향상
운혁윤  2019-04-23 16:26:45, Hit : 114
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        IBS "상온·상압에서 작용…시간당 수소 생산량 기존 촉매의 33배"<br><br>(서울=연합뉴스) 신선미 기자 = 친환경 에너지원으로 주목받는 수소를 생산하는 데 필요한 광(光)촉매의 효율을 획기적으로 높이는 기술이 개발됐다. <br><br>    광촉매는 빛을 받아 화학반응을 매개하는 물질이다. 기존 광촉매인 이산화티타늄(TiO₂) 위에 구리 단원자를 올린 새 촉매는 지금껏 학계에 보고된 촉매 중 최고 성능을 보이는 '백금-이산화티타늄 광촉매'와 비슷한 효율을 보였다. <br><br>    현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단장(서울대 석좌교수)팀은 남기태 서울대 교수, 김형준 카이스트 교수 연구팀과 함께 이런 연구 성과를 23일 국제학술지 '네이처 머티리얼스'(Nature Materials)에 발표했다.<br><br>    연구진은 광촉매 효율을 높이기 위해, 몸속에서 화학반응을 이어주는 '효소'(enzyme)의 작동 원리에 주목했다. 효소는 화학반응을 매개할 때 반응을 촉진하는 '활성점'이 나오도록 구조를 바꾼다. 이 때문에 반응물질과 선택적으로 결합할 수 있어 반응 효율이 높고 반복 사용도 가능하다. <br><br>    연구진은 광촉매인 이산화티타늄(TiO₂) 위에 구리 단원자를 올려 구리 원자가 효소의 활성점 기능을 하게 했다. 새 촉매는 빛을 받으면 구성 원자들끼리 전자를 주고받아 구조를 바꾸면서 화학반응을 매개했다. 반응할 때 구조를 변경했다가 다시 원구조를 되찾는다는 점이 효소와 유사하다.<br><br><span class="end_photo_org"><em class="img_desc">구리-이산화티타늄 촉매 설계 과정(서울=연합뉴스) = 연구진은 이산화티타늄 광촉매 위에 구리 원자를 가장 안정적으로 올릴 수 있는 위치를 이론적으로 파악했다. 이후 이산화티타늄 층에 구리를 얹고, 열적으로 안정한 이산화실리콘으로 감싼 뒤 고온에서 열처리해 촉매를 완성했다. 2019.4.23 [과학기술정보통신부 제공]</em></span><br><br>    연구진은 개발한 촉매를 물과 메탄올을 섞은 용액에 넣어 수소를 발생시키는 방법으로 촉매 활성도 측정했다. 반응은 상온과 상압에서 진행됐으며 쪼여준 빛은 태양광을 모사한 것으로 자외선뿐 아니라 가시광선도 포함돼 있다. <br><br>    촉매는 수소를 생산할 때 빛 에너지의 40% 이상을 수소 전환에 썼다. 기존 이산화티타늄 광촉매는 빛 에너지의 30% 정도를 이용한다. 또 새 촉매는 이산화티타늄 광촉매보다 시간당 33배 더 많은 수소를 생산해냈다. <br><br>    이는 지금껏 학계에 보고된 촉매 중 최고 성능을 보이는 '백금-이산화티타늄 광촉매'와 유사한 수준이라고 연구진은 설명했다.<br><br>    남기태 교수는 "촉매 원재료 구매에는 그리 비용이 들지 않는다"며 "앞으로 다가올 수소 경제 시대에 새 촉매가 기여했으면 좋겠다"고 기대를 나타냈다.<br><br><span class="end_photo_org"><em class="img_desc">IBS 연구진이 개발한 촉매를 이용해 수소를 생산하는 모습(서울=연합뉴스) = 구리-이산화티타늄 촉매를 수소 생산 반응에 적용한 모습. 물과 메탄올을 섞은 용액에 촉매를 넣고 빛을 가하면 수소가 나온다. 2019.4.23 [과학기술정보통신부 제공]</em></span><br><br>    이산화티타늄에 붙은 구리는 회수해 재활용할 수 있는 만큼, 산업 폐기물이 발생하지 않는 것도 새 촉매의 장점이다. 현재 산업 촉매의 대부분은 수명을 다하면 폐기돼 매립되고, 이 과정에서 2차 오염을 유발해 문제가 됐다.<br><br>    현택환 단장은 "상온·상압에서 안정적으로 수소를 제조할 수 있는 출발점이 될 것으로 본다"고 연구의 의의를 밝혔다.<br><br><span class="end_photo_org"><em class="img_desc">연구진의 모습(왼쪽부터) 현택환 IBS 나노입자 연구단 단장(공동 교신저자), 이병훈 IBS 나노입자 연구단 연구원(공동 제1저자), 박승학 서울대 연구원(공동 제1저자), 남기태 서울대 교수(공동 교신저자) [과학기술정보통신부 제공]</em></span><br><br>    sun@yna.co.kr<br><br>▶네이버 홈에서 [연합뉴스] 채널 구독하기<br><br>▶뭐 하고 놀까? #흥  ▶쇼미더뉴스! 오늘 많이 본 뉴스영상<br><br>

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        <strong class="media_end_summary">IBS 나노입자연구단, 단원자 고체 촉매 기술 네이처에 발표</strong>[아이뉴스24 최상국 기자] 생체효소가 작동하는 원리를 모방한 새로운 방식의 고체 촉매 제조 기술이 개발돼 수소 생산을 비롯한 다양한 산업에서의 응용이 기대된다.<br><br>기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단(단장 현택환 서울대 석좌교수)은 남기태 서울대 재료공학부 교수, 김형준 KAIST 화학과 교수팀과 공동으로 자연계의 이상적인 촉매인 효소의 원자구조를 금속화합물로 재현하는 데 성공하고 이를 바탕으로 수소 생산 효율을 기존보다 50% 이상 높일 수 있는 새로운 광촉매를 개발했다고 23일 발표했다.<br><br>이번에 개발된 기술은 기존의 여러 가지 촉매들이 갖는 단점들을 극복하고 효율이 높으면서도 재활용이 가능하며 친환경적인 촉매를 개발하기 위해 효소의 작동원리를 모방한 것이 가장 큰 특징이다.<br><br>우리 몸의 효소는 주변 단백질과의 상호작용을 통해 자신의 모습을 바꿔 활성점을 만들고, 이 활성점을 중심으로 특정 물질과만 선택적으로 반응함으로써 높은 효율을 달성한다.<br><br>연구진은 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 위에 구리 원자 한 개를 얹은 형태로 활성점을 인위적으로 구현, 효소처럼 작동하는 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 만들어냈다.<br><br><span class="end_photo_org"><em class="img_desc">연구진이 개발한 단원자 구리/이산화티타늄 촉매의 현미경 이미지 [IBS]</em></span><br><br>사전 이론연구를 통해 구리원자를 올렸을 때 열역학적으로 가장 안정적인 상태를 유지할 수 있는 위치를 파악, 그 위치에 구리 원자를 올렸다. 조성표 서울대 기초과학공동기기원 교수팀이 안정화된 단일원자의 모습을 포착했고, 이국승 포항방사광가속기연구소 에너지환경연구팀이 방사광가속기를 활용해 원자 수준에서 분광학적 구조를 파악했다.<br><br>연구진은 개발된 촉매가 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 상호 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고, 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것을 확인했다.<br><br>또한 개발된 촉매를 광합성 수소 생산 반응에 적용한 결과, 전달받은 빛의 40%이상이 수소로 전환되는 뛰어난 성능을 나타냈다. 촉매 1g으로 시간당 30mg의 수소가 생성됐다.(오후 2시 일조량 기준) 이는 현재 가장 우수한 성능을 보이는 백금/이산화티타늄 광촉매와 비슷한 수준이다. 즉 값비싼 백금 촉매와 같은 성능을 구리로 구현한 것이다.<br><br><span class="end_photo_org"><em class="img_desc">개발된 촉매를 이용해 수소를 생산하는 모습. 물과 메탄올을 섞은 반응물에 개발된 촉매를 넣고 빛을 가하면 수소가 생성된다. 사진 속 기포는 수소가 활발히 생성되고 있음을 보여준다. [IBS]</em></span><br><br>이번 연구는 가장 이상적인 촉매인 효소와 유사하게 작동하는 고체촉매를 개발했다는데 큰 의미가 있다. 향후 수소생산은 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학공정에서도 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다.<br><br>현택환 IBS연구단장은“이번에는 구리로 단원자 촉매를 만들었지만 다른 다양한 금속에도 적용 가능한 플랫폼 기술"이라고 설명하고 "개발된 촉매를 햇빛으로 수소로 생산하는 광촉매반응에 적용하면 상온·상압에서도 안정적이고 높은 효율로 친환경 에너지인 수소를 값싸게 제조할 수 있게 됐다”고 연구의의를 부여했다.<br><br>연구내용은 네이처 머터리얼스(Nature Materials)온라인판에 23일 게재됐다.<br><br><span class="end_photo_org"><em class="img_desc">(왼쪽부터) 현택환 IBS 나노입자 연구단장(공동 교신저자), 이병훈 IBS 나노입자 연구단 연구원(공동 제1저자), 박승학 서울대 연구원(공동 제1저자), 남기태 미래소재디스커버리 d-오비탈 제어 소재 연구단장(공동 교신저자) [IBS]</em></span><br><br><address>최상국기자 skchoi@inews24.com<br><br>▶네이버 채널에서 '아이뉴스24'를 구독해주세요.<br><br>▶아이뉴스TV에서 부동산 고수를 만나보세요.<br><br>[ⓒ 아이뉴스24 무단전재 및 재배포 금지]<br><br>

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