이번 연구성과가 게재된 미국화학회가 발간하는 국제학술지 '어카운트 오브 매테리얼 리서치' 표지.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 꿈의 신소재로 불리는 그래핀을 활용해 단일 원자 촉매 합성 등 최신 연구개발 동향을 총망라해 제시했다.

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 세계 최초로 개발한 단일 원자촉매 관련 연구성과가 최근 미국화학회에서 발간하는 신소재분야 학술지 ‘어카운츠 오브 매터리얼 리서치’ 특별 초청 리뷰 표지 논문으로 게재됐다고 1일 밝혔다.

촉매는 소량의 첨가만으로 다양한 화학반응의 효율을 높이는 소재를 의미하며, 최근 그 중요성이 급속하게 커지고 있는 에너지, 환경 및 바이오헬스 분야에서 핵심적인 요소로서 큰 관심을 끌고 있다. 수소연료전지의 에너지 변환반응이나 환경친화적인 수소연료 생성반응 등에서 백금이나 희토류등 값비싼 촉매를 대체하기 위한 연구가 전 세계 신소재 연구의 화두가 되고 있다.

일반적인 촉매는 그 표면에서 화학반응을 일으키는데, 이상적으로는 단일 원자가 촉매가 된다면 같은 양의 촉매로 최대 효율을 낼 수 있으며 이를 세계 최초로 실현한 것이 김상욱, 김용현 교수팀이 개발한 단일 원자 촉매의 개념이다. 연구팀은 탄소나노튜브를 화학적으로 성장시키는 과정에서 철(Fe) 원자가 우리 혈액 속의 헤모글로빈 구조와 유사한 단원자 혼성구조를 생성함을 발견하고, 한 개의 원자에 기반한 새로운 연료 전지 촉매를 제시한 것이다. 해당 촉매는 입자 응집으로 인해서 수명이 짧은 기존의 백금 촉매의 한계를 극복할 수 있는 새로운 촉매의 형태로 주목을 받았다.

단일 원자 촉매 제조시 지지체 두께에 따른 구조적 차이점 비교 모식도(위)와 단일 원자 도핑양에 따른 촉매 구조 비교 모식도(아래).[KAIST 제공]

김 교수 팀의 연구 이후 최근에는 전 세계의 많은 연구 그룹들이 단일 원자촉매 연구에 뛰어들고 있으며, 새로운 고효율 촉매를 개발하기 위해 가장 전망이 밝은 분야로 각광받고 있다.

김상욱 교수는 “이번에 출판된 총설에는 그래핀과 같은 나노소재에 금속원소를 도핑하는 방식에서 시작된 단일 원자 촉매의 제조부터 구조와 물성, 그리고 응용까지 망라한 최신 연구 동향들이 잘 정리돼 있다”며 “앞으로 해당 분야 연구에 심도 있는 통찰을 제시하길 바라고 있으며 향후 고효율 단일 원자 촉매 상용화의 시발점이 될 것”이라고 설명했다.