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기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단과 독일 막스플랑크 다학제과학연구소 공동연구팀은 금속 표면의 원자 구조가 수 나노미터 떨어진 지점에 결합한 분자의 결합 세기에도 영향을 미친다는 사실을 실험으로 확인했다고 밝혔다. 연구팀은 원자가 계단 형태로 쌓인 백금 표면에서 계단 간격을 달리하며 암모니아(NH₃), 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO)의 결합 세기를 비교했고, 결합 에너지 차이는 최대 약 0.2전자볼트(eV)로 나타났다. 장거리 영향이 나타나는 특성 거리는 분자 종류에 따라 약 4~7나노미터로 확인됐다. 연구팀은 분자별 차이를 설명하기 위해 분자 궤도와 전자띠 개념을 결합한 '프런티어 오비탈-밴드 모델'을 제시했다. 연구 결과는 국제학술지 '사이언스'에 게재됐다.
10월 30일
한국에너지기술연구원 김희연 수소에너지연구소 책임연구원 연구팀이 촉매 원자를 원하는 위치에만 선택적으로 배치하는 '선택적 화학기상증착(CVD)' 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 기존 액상법으로 촉매 기본 구조를 만든 뒤 기체 상태 원료로 필요한 위치에만 촉매 원자를 입히는 방식으로, 원자를 하나씩 또는 작은 원자 집단 형태로 조절할 수 있다. 메탄을 에틸렌으로 전환하는 실험에서 투입한 텅스텐 중 실제 반응에 활용되는 비율이 28%에서 82%로, 메탄 전환율은 6.9%에서 51.7%로, 에틸렌 수율은 0.9%에서 26.0%로 높아졌다. 800℃에서 180시간 운전 실험에서도 원자 응집 없이 성능이 유지됐으며, 낮은 온도와 대기압 조건에서 작동한다. 연구팀은 연료전지·수전해 전극용 합금 촉매와 탄화수소 개질반응용 촉매로 적용 범위를 확대할 계획이며, 연구 결과는 'Chemical Engineering Journal'에 9월 11일 온라인 게재됐다.
10월 27일
한국에너지기술연구원 수소에너지연구소 김희연 박사 연구팀이 촉매 구성 원자의 크기·위치·주변 구조를 제어하는 선택적 화학기상증착(선택적 CVD) 기술을 개발했다. 액상법으로 나노 크기 조촉매를 먼저 담지한 뒤 조촉매 표면에만 주촉매를 원자 상태로 입히는 방식이며, 기체 상태 원료를 사용해 건조 과정이 없고 저온·상압에서 운전한다. 메탄을 에틸렌으로 직접 전환하는 반응에 적용해 망간 입자 표면에만 텅스텐 원자가 담지된 구조를 구현한 결과, 텅스텐 촉매 활용률은 약 28%에서 82%로, 메탄 전환율은 6.9%에서 51.7%로, 에틸렌 수율은 0.9%에서 26.0%로 각각 상승했다. 800도에서 180시간 운전에서도 원자 응집 없이 성능을 유지했다. 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단과 에너지연 기본사업 지원으로 수행됐고, 결과는 'Chemical Engineering Journal'에 9월 11일자로 온라인 게재됐다.
10월 27일
UNIST 백종범·권영국 교수와 고려대 곽상규 교수 공동연구팀은 철 원자가 물 분자에서 수소 원자를 떼어내고 루테늄 입자가 이를 결합해 수소 기체로 내보내는 이중 활성점 수전해 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다. 전극 면적 1㎠당 10mA 조건에서 과전압은 13.8mV로, 상용 백금 촉매의 29.4mV보다 낮았으며 루테늄 함량은 촉매 무게의 2%였고 귀금속 무게당 활성은 백금 촉매의 6배를 넘었다. 음이온교환막(AEM) 수전해 셀에 적용한 결과 1.66V에서 1.0A/㎠의 전류밀도를 달성했고, 같은 조건에서 백금 촉매는 1.93V가 필요했으며 1,100시간 이상 연속 운전에서도 성능 저하가 거의 없었다. 제조는 흑연 가루와 질소 기체를 쇠구슬과 함께 밀폐 용기에서 고속 회전시킨 뒤 루테늄을 담지하는 볼밀링 방식으로, 별도 철 원료나 용매 없이 한 번에 10g 이상 제조가 가능하다고 연구팀은 설명했다. 과학기술정보통신부·한국연구재단과 알칼라인 수전해 국가수소중점연구실의 지원을 받은 이 연구는 'Advanced Materials'에 9월 10일 온라인 공개됐다.
10월 21일
울산과학기술원(UNIST)은 백종범·권영국 에너지화학공학과 교수 연구팀이 고려대학교 곽상규 교수 연구팀과 공동으로 철과 루테늄을 이용한 고효율 수전해 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다. 이 촉매는 물을 전기분해해 수소를 만들 때 필요한 전력을 줄여 같은 전기로 더 많은 수소를 생산할 수 있도록 하는 것이 목적이다. 수전해는 물에 전기를 흘려 수소와 산소로 분해하는 기술로, 태양광이나 풍력으로 만든 전기를 사용하면 생산 과정의 탄소 배출을 줄일 수 있다. 다만 이론적으로 필요한 전압보다 높은 '과전압'을 가해야 해 전력 소비가 발생하는 점이 과제로 지목된다.
10월 21일
한국에너지기술연구원 대기청정연구실 황선미 박사 연구팀이 암모니아 연료 선박의 배출가스를 처리하는 촉매 기술을 개발했다. 연구팀은 질소산화물과 미연소 암모니아를 함께 분해하는 하이브리드 촉매를 개발했다. 이와 별도로 아산화질소를 분해하는 촉매도 개발했다. 연구원은 암모니아 연소 과정에서 발생하는 온실가스를 통합 제거할 수 있어 해운 산업의 탄소중립에 기여할 것으로 기대했다.
10월 2일
한국에너지기술연구원 대기청정연구실 황선미 박사 연구팀이 암모니아 연소 과정에서 발생하는 질소산화물과 미연소 암모니아를 하나의 촉매층에서 동시에 분해하는 하이브리드 촉매를 개발했다. 아산화질소를 직접 분해하는 촉매도 함께 개발해 신규 장비 증설 없이 기존 디젤 선박의 배출가스 분해 장비에 적용할 수 있도록 했다. 하이브리드 촉매는 비귀금속 기반으로 설계돼 기존 귀금속 촉매 대비 최소 80% 이상의 비용 절감이 가능하며, 단일 촉매층에서 암모니아와 질소산화물을 99% 이상 동시 분해하고 촉매 사용량도 최대 절반까지 줄였다고 밝혔다. 아산화질소 분해 촉매는 추가 환원제 투입 없이 선박 배출 환경인 350도의 저온에서 99% 이상 처리한다고 설명했다. 연구팀은 향후 암모니아 엔진과 연계한 파일럿 실증을 계획하고 있으며, 이번 연구는 에너지연 기본사업으로 수행돼 'Applied Catalysis B: Environment and Energy'에 게재됐다.
10월 2일
한국에너지기술연구원 황선미 책임연구원 연구팀이 암모니아 추진 선박의 주요 배출가스를 하나의 시스템에서 처리하는 촉매 기술을 개발했다고 10월 1일 밝혔다. 개발된 하이브리드 촉매는 질소산화물과 미연소 암모니아를 하나의 촉매층에서 약 99% 효율로 동시에 분해하며, 귀금속 촉매 대비 최소 80% 이상 비용을 절감하고 촉매 사용량을 최대 절반까지 줄일 수 있다. 함께 개발한 아산화질소 분해 촉매는 상용 촉매보다 운전 온도를 100도 낮춘 350도에서 작동하고, 환원제 없이 99% 이상의 효율로 아산화질소를 분해한다. 두 촉매 모두 기존 디젤 선박의 배출가스 분해 장비에 적용할 수 있다. 연구팀은 향후 파일럿 실증을 통해 기술 완성도를 높이고 상용화를 지원하겠다고 밝혔다.
10월 1일
한국에너지기술연구원 대기청정연구실 황선미 박사 연구팀이 암모니아 연소 과정에서 발생하는 질소산화물, 아산화질소, 미연소 암모니아를 별도 설비 추가 없이 처리하는 촉매를 개발했다고 밝혔다. 개발된 하이브리드 촉매는 하나의 촉매층에서 암모니아와 질소산화물을 약 99% 효율로 동시 분해하며, 기존 귀금속 기반 촉매보다 비용을 최소 80% 이상 줄이고 촉매 사용량도 최대 절반까지 감축할 수 있다. 아산화질소 분해 촉매는 상용 촉매보다 운전 온도를 100℃ 낮춘 350℃에서 작동하도록 설계됐고, 환원제 없이 99% 이상의 효율로 아산화질소를 분해한다. 두 촉매는 기존 디젤 선박의 배출가스 처리 장비에 적용할 수 있으며, 연구진은 암모니아 엔진과 연계한 파일럿 실증을 계획하고 있다. 이번 연구는 에너지연 기본사업으로 수행됐으며 'Applied Catalysis B: Environment and Energy'에 게재됐다.
10월 1일
한국에너지기술연구원 수소에너지연구소 강경수·이현준 박사 연구진이 알칼라인 수전해용 이종 구조 전극을 개발했다고 밝혔다. 이 전극은 물 분해를 촉진하는 산화니켈과 수소 발생 반응에 유리한 니켈-코발트 합금을 하나의 전극 표면에 함께 배치한 구조로, 귀금속 전극 대비 원가가 99% 이상 낮다고 연구진은 설명했다. 동일 조건의 상용 백금 전극 대비 40% 수준의 전압으로 수소 발생 반응을 일으켰고, 전극이 적용된 지름 8.7cm 단위 전지는 전극을 넣지 않은 니켈 전극보다 11% 낮은 전압을 기록했다. 600회 이상 가동·중단 반복 테스트 이후에도 내구성이 유지됐다. 연구진은 현재 직경 40cm 수준으로 대형화를 진행했으며 5,000cm² 이상 면적으로 확대해 MW급 알칼라인 수전해에 적용할 계획이라고 밝혔다.
9월 17일
KAIST 백윤정 화학과 교수 연구팀이 비타민 B2의 핵심 구조인 플라빈을 이용한 금속 착물을 개발해, 기존 '어빙-윌리엄스 계열'과 반대되는 금속 안정성 경향을 구현했다고 6일 밝혔다. 어빙-윌리엄스 계열은 망간·철·코발트·니켈·구리·아연 중 망간에서 구리로 갈수록 결합 안정성이 높아진다는 경험 법칙이다. 연구진은 리간드나 배위 구조를 새로 만드는 대신 분자 간 약한 힘인 수소결합에 주목했고, 플라빈 유도체로 망간부터 아연까지 동일한 배위 방식을 유지한 결과 수소결합이 구리가 안정해지는 데 필요한 구조 변화를 막는다는 사실을 확인했다. 백 교수는 결합 안정성 순서를 주변 환경을 통해 바꿀 수 있음을 보여준 점이 핵심이라고 설명했다. 연구 결과는 미국화학회지(JACS)에 9월 3일자로 게재됐다.
9월 6일
KAIST 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 삼성전자 연구진과 공동으로 반도체 건식 식각 공정 등에 사용되는 온실가스 사불화탄소(CF4)를 분해하는 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다. 연구팀은 알루미늄, 아연, 갈륨, 니켈, 코발트 등 여러 금속을 하나의 알루미네이트 결정구조에 고르게 섞는 엔트로피 안정화 원리를 적용해 고온·수분·불소 환경에서의 구조 변형을 억제했다. 새 촉매는 기존 알루미나 촉매 대비 CF4 분해 활성이 약 2.3배 높았고, 약 800℃에서 150시간 가혹 조건 실험에서 전환율이 98%에서 92%로 유지된 반면 기존 알루미나 촉매는 93%에서 48%로 떨어졌다. 연구팀은 산소 동위원소 추적을 통해 촉매 구조 내 산소가 먼저 CF4 분해에 쓰이고 수증기가 그 자리를 채우는 반응 경로를 확인했다. CF4는 대기 중에서 약 5만 년 잔류하며 지구온난화 영향이 CO2보다 6,000배 이상 크다. 논문은 지승혁 박사후연구원이 제1저자로 참여해 'Angewandte Chemie International Edition'에 6월 게재됐다.
9월 3일