수소 같은 청정에너지를 더 싸고 효율적으로 생산하려면, 적은 전력으로 고성능 촉매를 얼마나 빠르고 저렴하게 만들 수 있느냐가 관건이다. 국내 연구진이 그 해법을 제시했다. 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 빛을 단 0.02초 비추는 것만으로 3000도의 초고온을 만들어내고, 수소 생산 촉매를 빠르고 효율적으로 합성하는 기술을 개발한 것이다.
KAIST는 김일두 신소재공학과 교수와 최성율 전기및전자공학부 교수 연구팀이 강한 빛을 짧게 쬐어 고성능 나노 신소재를 만드는 '직접접촉 광열처리(Direct-contact photothermal annealing)' 합성 플랫폼을 개발했다고 20일 밝혔다.
연구진은 제논(Xenon) 램프에서 나온 강한 빛을 단 0.02초 비춰 순간적으로 섭씨 3000도의 열을 내는 기술을 구현했다. 이 빛의 열로 단단한 '나노다이아몬드'를 전기가 잘 통하고 촉매에 적합한 '탄소 나노어니언(Carbon Nanoonion)'으로 바꾸는 데 성공했다.
나노다이아몬드는 말 그대로 다이아몬드 구조를 가진 미세한 탄소 입자(지름 수나노미터 수준)다. 단단하고 화학적으로 안정적이어서 잘 변하지 않지만, 이런 특성 때문에 다른 물질로 바꾸기 어려웠다.
탄소 나노어니언은 탄소 원자가 양파처럼 여러 겹으로 쌓인 구형 소재로, 전기 전도성이 뛰어나 촉매를 지탱하는 데 적합하다. 문제는 이 소재를 만든 뒤 다시 금속 촉매를 부착해야 하는 복잡한 공정이 필요했고, 열선으로 가열하는 기존 열처리 방식은 에너지 낭비가 크고 시간이 오래 걸렸다는 점이었다.
연구진은 이런 한계를 '광열효과(Photothermal effect)'로 해결했다. 나노다이아몬드에 빛을 잘 흡수하는 검은색 카본블랙(Carbon black)을 섞고 강한 빛을 터뜨리자, 0.02초 만에 나노다이아몬드가 탄소 나노어니언으로 전환됐다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 이 과정은 물리적으로 충분히 가능한 것으로 확인됐다.
연구진은 이 과정에서 촉매 기능도 동시에 구현했다. 백금(Pt), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등 금속 원료를 함께 넣으면 금속이 원자 단위로 쪼개져, 갓 생성된 탄소 나노어니언 표면에 하나씩 달라붙는다. 빠른 냉각 덕분에 원자들이 다시 뭉치지 않아, 소재 합성과 촉매 기능화가 한 번에 끝난다.
연구진은 이 방식으로 8종의 고밀도 단일원자 촉매를 성공적으로 합성했다. 그중 '백금 단일원자 촉매–탄소 나노어니언'은 기존보다 6배 높은 효율로 수소를 생산하면서도 백금 사용량을 획기적으로 줄였다.
김 교수는 "기존 열처리보다 에너지 소비를 1000배 이상 줄인 초고속 합성 기술로, 수소 에너지뿐 아니라 가스 센서·환경 촉매 등 여러 분야의 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구 결과는 미국화학회(ACS)에서 발간하는 나노·화학 분야 국제 학술지 'ACS Nano' 9월호 속표지 논문으로 게재됐다.
참고 자료
ACS Nano(2025), DOI: 10.1021/acsnano.5c11229