작성일 : 19-04-23 18:13
효소 닮은 광촉매 개발, 수소 생산의 새로운 길 연다
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IBS 나노입자연구단, 단원자 고체 촉매 기술 네이처에 발표[아이뉴스24 최상국 기자] 생체효소가 작동하는 원리를 모방한 새로운 방식의 고체 촉매 제조 기술이 개발돼 수소 생산을 비롯한 다양한 산업에서의 응용이 기대된다.

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.

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.

우리 몸의 효소는 주변 단백질과의 상호작용을 통해 자신의 모습을 바꿔 활성점을 만들고, 이 활성점을 중심으로 특정 물질과만 선택적으로 반응함으로써 높은 효율을 달성한다.

연구진은 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 위에 구리 원자 한 개를 얹은 형태로 활성점을 인위적으로 구현, 효소처럼 작동하는 단원자 구리/이산화티타늄 촉매를 만들어냈다.

연구진이 개발한 단원자 구리/이산화티타늄 촉매의 현미경 이미지 [IBS]

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.

연구진은 개발된 촉매가 효소와 마찬가지로 구리와 이산화티타늄이 상호 전자를 주고받는 상호작용을 진행하고, 구조를 변화시켜 효소와 유사하게 촉매반응에 참여한다는 것을 확인했다.

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.

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]

이번 연구는 가장 이상적인 촉매인 효소와 유사하게 작동하는 고체촉매를 개발했다는데 큰 의미가 있다. 향후 수소생산은 물론, 촉매를 사용하는 많은 화학공정에서도 생산성을 향상시킬 것으로 기대된다.

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.

연구내용은 네이처 머터리얼스(Nature Materials)온라인판에 23일 게재됐다.

(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]

최상국기자 skchoi@inews24.com


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문재인 대통령이 7박8일간의 중앙아시아 3개국 순방을 마치고 오늘 귀국합니다.

문 대통령은 지난 16일부터 투르크메니스탄, 우즈베키스탄 그리고 카자흐스탄을 차례로 국빈 방문했습니다.

김현종 국가안보실 2차장은 3개국 순방 성과에 대한 브리핑을 통해 "중앙아 3개국 정상으로부터 대한민국의 신북방정책에 대한 확고한 지지를 확보했다"며 "지난 3월 동남아 순방을 통한 신남방 외교에 이어, 우리 외교의 실질적 지평, 그리고 시장 확대를 한반도 남쪽에서 북쪽으로 확장했다고 밝혔습니다.

김 차장은 "무엇보다 문 대통령과 중앙아 3개국 정상은 매우 긴밀한 사이가 됐다"며 "미르지요예프 우즈베키스탄 대통령은 동포 간담회를 빼고 모든 일정에 동행하는 등 '브로맨스' 수준이었다고 말했습니다.

또 "투르크메니스탄 베르디무하메도프 대통령도 수도로부터 500km 떨어져 있는 키얀리 가스화학 플랜트 현장에 동행했고, 카자흐스탄에서는 토카예프 대통령도 문 대통령의 숙소까지 와서 예정에 없던 간담회를 갖는 등 정상들 간 우의와 신뢰가 신북방정책의 성과를 견인하는 든든한 기반이 될 것"이라고 강조했습니다.

김 차장은 또 "이번 순방에서 130억불 규모, 24개 프로젝트의 수주 지원활동을 전개했고, 이와 별도로 우즈베키스탄에서는 120억 불, 카자흐스탄에서는 32억 불 수준에 상당하는 협력 사업의 제안도 있었다"고 소개했습니다.

이어 "이번 순방을 계기로 이역만리에 잠들어 계시던 독립유공자의 유해를 국내로 모시고, 중앙아 3개국에 계신 30만 고려인 동포들을 격려하는 뜻깊은 시간을 가졌다"고 순방 결과를 자평했습니다.

[사진 출처 : 연합뉴스]

이병도 기자 (bdlee@kbs.co.kr)

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