전기화학적 물분해 방식은 탄소 배출이 없어 친환경적 수소생산 방식으로 알려진다. 하지만 백금 촉매를 사용하면서 가격이 높아 상용화에 어려움이 있었던 게 사실이다.

연구팀은 단일 원자 촉매는 모든 원자들이 반응에 참여할 수 있다는 특징으로 귀금속 사용을 크게 줄일 수 있다는데 주목했다. 그러나 단일 원자 촉매는 쉽게 뭉치지만 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.

단일 원자와 강한 결합을 할 수 있는 것은 지지체에 따라 달라진다. 하지만 대부분 연구소에서 탄소 기반 지지체를 활용했다. 이는 백금의 활용도를 높이는데 한계가 있었다.

연구팀은 백금과 강한 시너지 효과를 유도할 수 있는 메조 다공성 텅스텐 산화물을 지지체로 사용했다. 그 결과 백금이 원자 단위로 고분산화 된 백금 유사 단일원자 촉매로 합성하는데 성공했다. 이를 수소 생산 수전해 촉매로 적용, 높은 성능을 구현했다.

또 연구팀은 단일 원자 촉매가 갖는 '금속의 지지체간 경계면 극대화'라는 특징을 활용해 백금 나노입자를 텅스텐 산화물에 담지한 촉매와 비교 실험했다. 실험 결과 백금 표면에서 다른 지지체 표면으로 수소가 넘어가는 현상인 수소 스필 오버(Hydrogen spillover)가 크게 발현됨을 확인했다. 이를 통해 기존 상용 백금 촉매의 사용량을 16분의 1로 현저히 줄일 수 있었다.

이번 연구 성과로 수전해 뿐만 아니라 연료전지 기술과 같은 다양한 전기화학 촉매 분야에 응용될 것으로 기대된다.

연구성과는 박진규 박사과정과 이성규 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구는 글로벌 화학지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)' 8월 22일자에 게재됐다.

이 교수는 "이번에 개발한 촉매는 기존 단일 원자 촉매 연구와 다른 관점에서 접근한 연구로 학술적으로 이바지하는 바가 크다"면서 "이번 연구를 통해 단일 원자 촉매 개발의 독보적인 기술을 확보했다"고 연구의의를 설명했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 기후변화대응기술개발사업, 미래소재디스커버리사업의 지원을 통해 수행됐다.