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환경 문제가 대두되면서 생산 비용이 저렴하고 재활용이 가능한 ‘불균일촉매’가 주목받고 있다. 하지만 고체로 이뤄진 불균일촉매는 반응물과 완전히 섞이지 않아 액체 상태인 균일촉매보다 생산 효율이 낮다는 한계가 있었다.

최근 기초과학연구원(IBS)과 서울대 등 공동연구팀이 생체 효소와 작동 원리가 유사해 친환경적이면서도 효율이 좋은 불균일촉매를 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 위에 구리 원자를 올려 불균일촉매를 만들었다. 여기에 빛을 가하면 전자가 구리로 이동하면서 구조가 변하고 촉매가 활성화된다. 구조를 변화시켜 촉매반응에 관여한다는 점에서 생체 효소와 원리가 같다. 이 촉매는 반응이 끝나면 이산화티타늄으로 복구돼 재활용도 가능하다.

연구팀은 이렇게 개발한 불균일촉매를 이용해 물과 에탄올에서 수소를 생산한 결과 효율이 40%에 이른다는 사실을 발견했다. 이는 지금까지 개발된 불균일촉매 가운데 가장 효율이 좋다고 알려진 백금촉매와 비슷한 수준이다.

구리는 백금보다 원소 크기가 작아 티타늄을 대체하기가 용이한데다 훨씬 저렴해 경제성이 클 것으로 전망된다. 

현택환 IBS 나노입자연구단장은 “이 기술은 불균일촉매의 치명적인 단점으로 꼽히는 낮은 효율 문제를 해결할 수 있다”며 “실제 수소 생산에 이 촉매를 적용하기 위해서는 공정 단순화 등 후속 연구가 필요하다”고 말했다. 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스’ 4월 22일자에 발표됐다. doi:10.1038/s41563-019-0344-1