전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이
산업 에너지

속보

더보기

‘밀고 당기고’ 원자구조 조절 저비용·고효율 수소생산 촉매

기사입력 :

최종수정 :

※ 본문 글자 크기 조정

  • 더 작게
  • 작게
  • 보통
  • 크게
  • 더 크게

※ 번역할 언어 선택

UNIST, 이리듐 전자껍질 연구 개발
가격 경쟁력 갖춘 고효율 촉매 기대

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 물을 전기로 분해해 수소를 얻는 반응에는 촉매가 꼭 필요하다. 기존에는 효율이 좋은 귀금속(백금)을 썼는데 비싸다는 단점이 있다. 백금을 대체할 물질이 꾸준히 개발되는 가운데 원자 구조를 조절해 촉매 효율을 높인 연구가 나왔다.

23일 UNIST(울산과학기술원)에 따르며 이 대학 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀은 중국 연구진과 공동으로 이리듐(Ir)-질소(N)-탄소(C)로 이뤄진 수소발생 촉매를 합성하는 데 성공했다.

연구결과(논문명 “Balancing hydrogen adsorption/desorption by orbital modulation for efficient hydrogen evolution catalysis”)는 저명한 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 지난 6일 게재됐다.

수소발생반응의 반응 원리를 보여주는 모식도 : 물에 있는 수소원자가 촉매 표면에 흡착, 생성반응을 일으켜 수소분자가 되어 탈착되는 과정 2019.09.23. [자료=UNIST]

연구진에 따르면 이번에 개발한 촉매는 수소 원자를 당기고 밀어내는 두 작용을 적절히 해내, 백금보다 낮은 과전압(overpotential)에서 수소발생 반응이 일어난다. 효율과 가격 면에서 경쟁력을 갖춘 촉매인 셈이다. 과전압(overpotential)은 수소발생반응이 일어나기 위한 최소한의 에너지다.

수소발생반응에서 촉매는 두 조건을 맞춰야 한다. 먼저 물속에 있는 수소 원자가 촉매에 잘 붙고(흡착), 수소 원자가 두 개 모여 분자가 되면 촉매 표면에서 잘 떼져야(탈착) 하는 것이다.

일반적으로 수소발생 촉매의 수소 흡착(adsorption)과 탈착(desorption) 성질은 서로 반비례한다. 따라서 흡착과 탈착 반응 사이에 적절한 조율, 즉 ‘밀당’을 잘하는 물질이 좋은 촉매다.

연구진은 원자내 전자들의 모양과 에너지를 확인할 수 있는 범밀도함수 이론을 활용한 계산을 통해 질소와 탄소로 이리듐의 흡착 및 탈착 에너지를 조절하는 방법을 고안했다.

이리듐은 백금을 대체할 차세대 촉매로 꼽히는 물질이다. 하지만 수소발생반응을 위한 수소 원자를 흡작하는 부분에 어려움이 있었다. 수소 원자가 이리듐 표면에 붙는 데 필요한 에너지가 높기 때문이다.

이번 연구는 이리듐의 흡착 에너지를 낮추는 데 질소와 탄소로 이리듐 원자의 전자껍질을 조절하는 방법을 제안했다. 이리듐 주변에 전자를 좋아하는 성질이 큰 질소와 탄소를 적절히 배치해 수소 원자를 당기는 힘을 키워준 것이다. 줄다리기할 때 옆에서 도와주는 사람이 있으면 당기는 힘이 더 커지는 원리와 같다. 물질은 원자로 이뤄져 있고, 원자는 원자핵과 전자로 구성되는데, 전자가 있는 전자껍질을 원자 궤도 또는 원자 오비탈(Orbital)이라고 한다. 양자역학적 개념으로 전자의 분포 확률을 의미한다.

연구진은 이런 내용을 원자 내 전자들의 모양과 에너지를 확인할 수 있는 ‘범밀도함수 이론’으로 계산했다. 이론적 계산 결과를 검증하기 위해 가운데 공 모양의 빈 공간을 갖는 ‘이리듐-질소-탄소(IrHNC)’ 촉매를 합성했다. 공 모양의 플라스틱(폴리스타이렌) 입자 표면에 세 원소를 입힌 후 플라스틱을 제거하는 방식을 쓰자, 속 빈 원형의 입자 표면에 이리듐과 질소, 탄소가 균일하게 분포됐다.

이 촉매의 전기화학적 수소발생 성능을 산성(acid) 환경에서 확인한 결과, 백금 촉매(Pt/C)와 순수한 이리듐(Ir) 나노입자보다 훨씬 뛰어났다. 또 열분석장비로 살펴본 결과 귀금속인 이리듐 함량도 7% 정도로 확인됐다. 이리듐 역시 귀금속이지만 소량만 사용하면서 값싼 탄소와 질소와 섞어 고효율 촉매를 만들어낸 것이다.

제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공학부의 펑 리(Feng Li) 박사는 “좋은 성능만 좇아 새로운 물질을 합성하는 방식에서 ‘전자껍질(오비탈)을 조절하는 새로운 방법’으로 촉매 효율을 높인 연구”라며 “이번에 쓰인 방식을 활용하면 다른 금속 기반의 촉매를 설계하는 데도 도움이 될 것”이라고 했다.

백종범 교수는 “질소나 탄소에 비해 상대적으로 가격이 고가인 이리듐을 아주 소량만 사용해 고효율 촉매 개발에 성공했다”며 “상용화할 경우 가격 경쟁력을 갖출 수 있을 것”이라고 전망했다. 

kimys@newspim.com

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
신임 국가수사본부장에 홍석기 [서울=뉴스핌] 김미경 기자 = 경찰 수사를 총괄하는 제4대 국가수사본부장에 홍석기 본청 수사국장(치안감)이 치안정감으로 승진 임명됐다. 경찰청은 3일 4대 국가수사본부장에 홍 국장이 취임한다고 2일 밝혔다. 홍 신임 본부장은 충청남도경찰청 공공안전부장, 충청북도경찰청 청주흥덕경찰서장, 경찰청 사이버수사심의관, 경찰청 교통기획과장 등을 지냈다. 홍 본부장은 3일 취임식을 갖고 업무를 시작할 예정이다. 국가수사본부 [사진= 뉴스핌DB] the13ook@newspim.com 2026-07-02 22:55
사진
[히든스테이지] 정다운·윤준 무대 [서울=뉴스핌] 김용석 선임기자 = 올해 4회째를 맞은 싱어송라이터 경연 대회 '히든 스테이지' 본선 두 번째 주자에 정다운과 윤준이 나선다. 싱어송라이터 정다운. [사진= 히든스테이지 사무국] 정다운은 히든스테이지 지원 동기에 대해 "최근 군 제대 후 히든스테이지라는 기회를 알게 됐다. 기성곡 커버가 대부분인 다른 경연 프로그램과는 다르게 싱어송라이터를 위한 무대이기 때문"이라고 말했다. 윤준 역시 "우연히 인스타그램 광고를 통해 히든스테이지를 알게 됐다"며 "인디 싱어송라이터에게는 너무나 좋은 기회이자 발판이라고 생각하여 지원하게 됐다"고 밝혔다. 싱어송라이터 윤준. [사진= 히든스테이지 사무국] 정다운과 윤준은 신직선과 김은선 밴드 이후로 본선에 나서는 두번째 주자다. 두 싱어송라이터의 무대는 40만 구독자를 보유한 유튜브 채널 '뉴스핌TV'를 3일 오후 4시 공개된다. 본선 진출 20팀은 여성 솔로 11명, 남성 솔로 5명, 남성 팀 2팀, 혼성 팀 2팀이다. 여성 참가자로는 보리(25)·김나라(27)·박희수(32)·혼즈(32)·변미리(26)·오아(30)·신직선(36)·도이주(20)·마린(28)·채수빈(27)·박지은(23) 등 11명이다. 남성 개인 부문에서는 정상호(정점·28)·최혁준(심각한 개구리·33)·윤준(27)·윤태경(34)·정다운(25)이 본선에 올랐다. 팀 부문에는 남성 팀 구구(26)·블낫블(23)과 혼성 팀 김은찬밴드(23)·Che!vee(28)가 참가한다. 경연 영상은 매주 금요일 2팀씩 10주에 걸쳐 순차 공개되며, 8월 28일 마지막 영상이 업로드된다. 이후 9월 10일부터 14일까지 심사위원단 2차 본선 심사가 진행되고, 9월 25일 결승 진출 톱 10이 발표된다. 시상 규모는 총 1200만 원이다. 문화체육관광부 장관상인 대상(500만 원)을 비롯해 한국콘텐츠진흥원장상 최우수상(300만 원)·우수상(200만 원)·루키상(200만 원) 등이 수여된다. '히든 스테이지'는 종합뉴스통신사 뉴스핌과 감엔터테인먼트가 주최하며, 문화체육관광부·한국콘텐츠진흥원이 후원한다. fineview@newspim.com 2026-07-03 05:56
기사 번역
결과물 출력을 준비하고 있어요.
종목 추적기

S&P 500 기업 중 기사 내용이 영향을 줄 종목 추적

결과물 출력을 준비하고 있어요.

긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
안다쇼핑
Top으로 이동