포커스온경제

중앙대, 그린수소 생산 혁명 루테늄 촉매 개발

수소경제 시대를 앞두고 친환경적인 수소 생산 기술 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 이 가운데 최근 중앙대학교 첨단재료공학과 연구팀이 차세대 수소 전극 촉매로 주목받는 루테늄 촉매의 성능을 획기적으로 향상시킨 연구 결과를 발표했다. 미국 과학 전문 매체 사이테크데일리(SciTechDaily)는 중앙대학교 첨단재료공학과 장해성 교수 연구팀이 아연으로 도핑한 루테늄 산화물(SA Zn-RuO2) 촉매를 개발했다고 지난 21일(현지시간) 자세히 소개했다. 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매는 기존 루테늄 산화물 촉매에 비해 안정성과 반응성이 향상된 것이다. 수소는 화석연료 대체 에너지원으로 각광받고 있지만, 현재까지 주로 천연가스 개질을 통해 생산되는 '회색 수소'는 환경오염 문제를 해결하지 못하고 있다. 반면, 물과 전기를 이용하여 생산되는 '녹색 수소'는 온실가스 배출 없이 순수한 수소를 확보할 수 있는 친환경 에너지원으로 각국 정부와 기업들의 핵심 투자 분야로 떠오르고 있다. 하지만 현재 녹색 수소 생산 기술은 아직 초기 단계에 머물러 있다. 가장 큰 걸림돌은 산성 전해수를 이용하는 '양극 산화반응(OER)' 촉매의 효율성과 안정성이 부족하기 때문이다. 이 때문에 경제적인 녹색 수소 생산량을 늘리기 어려운 상황이다. 루테늄 촉매로 획기적인 성능 향상 연구팀은 기존 상용 루테늄 촉매에 아연(Zn) 원자를 도핑하는 기술을 개발하여 기존 촉매에 비해 훨씬 높은 반응성과 안정성을 확보했다. 기존 루테늄 촉매는 전류밀도를 높이면 빠르게 성능이 저하되는 반면, 연구팀이 개발한 촉매는 높은 전류밀도에서도 지속적으로 안정적인 수소 생산을 가능하게 한다. 뿐만 아니라, 이 신소재 촉매는 이리듐(Ir)과 같은 귀금속 대신 상대적으로 저렴한 루테늄을 사용함으로써 녹색 수소 생산 비용을 크게 낮출 수 있는 장점도 지니고 있다. 결과적으로 연구팀의 성과는 녹색 수소 경제 실현에 한 걸음 더 다가선 중요한 결과라 할 수 있다. 차세대 전극 촉매의 길을 여는 돌파구 연구팀은 이번 연구 결과를 바탕으로 더욱 효율적이고 안정적인 차세대 촉매 개발에 힘을 쏟을 계획이다. 이를 통해 친환경 수소 생산 기술 발전을 촉진하고 우리나라 수소경제 선두 국가 진출에 밑바탕을 마련할 것으로 기대된다. 연구팀은 기존 루테늄(RuO2) 촉매에 단일 아연(Zn) 원자를 도핑하고 산소 공백을 도입하는 이중 기술을 개발하여 안정성과 활성을 동시에 높이는 데 성공했다. 'SA Zn-RuO2(단일 아연 도핑 루테늄 산화물)' 촉매라고 명명한 신소재는 산소 공백과 Zn-O-Ru(아연 산소 루테늄) 결합을 통해 기존 촉매의 한계를 효과적으로 극복했다. SA Zn-RuO2 촉매는 유기 골격 구조물을 루테늄과 아연 원자로 가열하여 합성하는데, 이 과정에서 산소 공백과 Zn-O-Ru 결합이 형성된다. 이러한 결합은 두 가지 방식으로 촉매를 안정화한다. 첫째, Ru-O 결합을 강화하여 촉매 구조를 지탱한다. 루테늄-산소 결함은 촉매의 구조적 안정성을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 루테늄-산소 결합이 강하면 촉매가 쉽게 분해되는 것을 방지할 수 있다. 둘째, 아연 원자로부터 전자를 공급하여 산화 과정에서 루테늄의 과도한 산화를 막는다. 또한 향상된 전자 환경은 반응 물질이 촉매 표면에 흡착하는 데 필요한 에너지를 낮춰 반응 속도를 증진시킨다. 장 교수는 연구 배경에 대해 "산성 전해수를 이용하는 수소 생산 기술에서 효율적이고 저렴한 대체 촉매 개발 필요성에 따라 연구를 시작했다"고 밝혔다. 그는 "이번 연구를 통해 단일 아연 도핑과 산소 공백 도입이라는 이중 기술을 통해 산성 환경에서 안정성과 활성을 균형 있게 높이는 전략을 제안한다"고 덧붙였다. 수소 생산 비용 절감 장 교수 연구팀의 실험 결과 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매는 기존 루테늄 산화물 촉매에 비해 과전위가 57mV 낮고, 43시간 동안 안정적으로 작동하는 것으로 나타났다. 과전위는 촉매가 반응을 일으키는 데 필요한 전기 에너지의 양으로, 과전위가 낮을수록 효율이 높아진다. 즉, 아연 도핑 루테늄 산화물 촉매는 기존 루테늄 산화물 촉매에 비해 더 적은 에너지를 사용하여 수소를 생산할 수 있다는 의미이다. 또한, 아연 도핑 루테늄 산화물 촉매는 43시간 동안 안정적으로 작동하는 것으로 나타났는데, 이는 기존 루테늄 산화물 촉매의 수명에 비해 크게 향상된 것이다. 연구팀은 "아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매는 비용 효율적이고 활성 및 내산성 전기 촉매의 개발에 영향을 미칠 가능성이 있다"며 "이는 수소 생산 비용을 절감하고 녹색 수소 생산을 향상시켜 청정 에너지원으로의 전환과 지속 가능한 기술의 발전에 도움이 될 것"이라고 기대했다. 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매의 개발은 지속 가능한 수소 생산에 새로운 돌파구를 마련했다는 평가를 받고 있다. 기존 루테늄 산화물 촉매는 안정성 문제가 있어 실용화 가능성이 낮다는 지적을 받아왔다. 하지만 이번에 개발된 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매는 안정성과 반응성이 모두 향상돼 상용화에 한 걸음 더 가까워졌다. 연구팀은 "향후 아연으로 도핑한 루테늄 산화물 촉매의 성능을 개선하고 대량 생산 기술을 개발해 실용화를 앞당길 계획"이라고 밝혔다. 이 연구는 지난 1월 '에너지 화학 저널(Journal of Energy Chemistry)' 88권에 발표됐다.

루테늄 나노 입자로 녹색 수소 생산 비용 절감

최근 전 세계적으로 탄소 중립을 위한 노력이 활발해지면서, 녹색 수소의 중요성이 더욱 커지고 있다. 녹색 수소는 태양광, 풍력 등 재생 가능 에너지를 이용해 물을 전기분해하여 생산한 수소로, 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경 에너지원이다. 그러나 기존의 녹색 수소 생산 기술은 백금이나 이리듐과 같은 귀금속을 촉매로 사용하기 때문에 생산 비용이 높아, 대규모 생산과 활용에 어려움이 있었다. 이에 따라, 저렴한 촉매를 사용하여 녹색 수소 생산 비용을 낮추기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 에너지 전문매체 오일프라이스(OILPRICE)에 따르면 이탈리아의 이노바티브 테크놀로지 연구소(Istituto Italiano di Tecnologia, IIT)와 스핀오프 기업 비디멘션즈(BeDimensions)는 작은 루테늄 입자와 태양열 전해조를 이용한 녹색 수소 생산 기술을 개발했다고 발표했다. 기존의 녹색 수소 생산 방법은 백금이나 이리듐과 같은 귀금속을 촉매로 사용하기 때문에 생산 비용이 높다는 단점이 있다. 반면, 이번에 개발된 기술은 루테늄만을 사용하기 때문에 생산 비용이 크게 낮아질 것으로 기대된다. IIT와 비디멘션즈의 연구진은 루테늄 나노 입자를 전해조 음극의 활성상으로 사용해 전체 전해조의 효율성을 향상시켰다. 루테늄 나노 입자는 백금과 유사한 촉매 작용을 하지만 가격은 백금의 약 3분의 1로 저렴하다. 따라서 킬로와트당 40mg의 루테늄만을 사용하면 기존의 양이온 교환막(Proton Exchange Membrane,PEM) 전해조에 비해 생산 비용을 약 75% 절감할 것으로 예상된다. 녹색 수소 생산이 중요한 이유 녹색 수소는 태양광, 풍력 등 재생 가능 에너지를 이용해 물을 전기분해하여 생산한 수소를 말한다. 화석 연료를 이용해 생산한 수소(회색 수소, 파란 수소)와 달리 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는다. 녹색 수소는 탄소 중립 사회로의 전환을 위한 핵심 에너지원으로 주목받고 있다. 수소는 연료전지, 연료 저장, 화학 공정 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 이번에 개발된 기술은 녹색 수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 것으로 기대된다. 이는 녹색 수소의 대규모 생산과 활용을 앞당기는 데 도움이 될 것으로 보인다. 에너지 단위당 수소 생산량은? IIT와 비디멘션즈의 연구진은 이번 기술이 기존의 양이온 교환막 전해조에 비해 에너지 단위당 수소 생산량이 높다고 밝혔지만, 구체적인 수치는 언급하지 않았다. 에너지 단위당 수소 생산량은 녹색 수소 생산 비용의 중요한 요소 중 하나다. 따라서 이 기술이 상용화될 경우 에너지 단위당 수소 생산량이 얼마나 되는지 확인하는 것이 중요하다. 루테늄 공급량은 충분할까? 루테늄은 백금 추출의 부산물로 얻어지기 때문에 연간 생산량이 백금의 7분의 1 수준이다. 따라서 이번에 개발된 기술이 상용화될 경우 루테늄의 수요가 증가할 것으로 예상된다. 루테늄의 수요 증가에 따라 가격이 상승할 가능성도 있다. 따라서 루테늄의 공급과 수요를 고려해 기술의 경제성을 평가하는 것이 필요하다. 한국, 루테늄 개발 사업 추진 한국도 루테늄 개발을 위해 노력하고 있다. 과학기술정보통신부 산하 한국과학기술연구원(KIST)은 2021년부터 루테늄의 효율적인 추출 및 정제 기술 개발을 추진하고 있다. 이 기술이 개발되면 루테늄의 생산량과 품질을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 한국수소산업진흥협회는 루테늄의 국내 자급률을 높이기 위한 연구개발(R&D) 사업을 추진하고 있다. 이 사업을 통해 루테늄의 국내 생산 기술을 개발하고, 루테늄의 수요를 창출하기 위한 노력을 기울이고 있다. 이러한 기술 개발을 통해 우리나라도 녹색 수소 생산 비용을 낮추고, 루테늄의 국산화를 추진할 수 있을 것으로 기대된다. 이번에 개발된 기술은 녹색 수소 생산 비용을 크게 낮추는 데 기여할 것으로 기대된다. 이는 녹색 수소의 대규모 생산과 활용을 앞당기는 데 도움이 될 것으로 보인다. 그러나 에너지 단위당 수소 생산량과 루테늄 공급 문제 등은 추가적인 연구와 개발이 필요하다.

최근 구리 화학의 발견이 값싼 약품 개발의 새로운 가능성을 열었다. 이제 단 3달러의 비용으로 항암제에 사용될 수 있는 화학 물질을 제조할 수 있게 됐다. 구리는 이미 의학 분야에서 감염과 싸우는 나노 입자 및 임플란트의 형태로 사용되고 있다. 미국의 과학 전문 매체 뉴아틀라스는 미국 캘리포니아대학교 로스앤젤레스(UCLA)의 과학자들이 개발한 새로운 방법으로 간단하고 저렴한 약품 생산이 가능하다고 보도했다. 이 방법은 산소의 한 형태인 오존을 시약으로 사용하고 금속을 촉매로 활용한다. 과학자들은 이를 통해 유기 분자의 탄소-탄소 결합을 끊는데 성공했다. 오존은 이 결합을 알켄, 즉 탄화수소로 분해하고, 구리 촉매는 깨진 결합을 질소와 결합시켜 탄소-질소 결합을 형성한다. 이 결합은 아민이라고 알려진 분자를 형성하게 되는데, 이것이 바로 항암제와 같은 값싼 약품 생산에 필수적인 요소다. 아미노탈알케닐화로 알려진 이 공정은 전통적으로 아민을 생성하는 데 사용되는 다른 유사한 촉매와는 달리 풍부하고 저렴한 금속을 잘 활용하면 된다. 아미노탈알케닐화라고 알려진 이 새로운 공정은 기존의 아민 생성 방법과는 다르다. 이 공정은 전통적으로 사용되는 비싼 금속 촉매 대신에 저렴하고 풍부한 금속을 효과적으로 활용한다. 권오현 유기화학 교수는 이 공정에 대해 설명하면서 "이전에는 이런 방법이 없었다"고 강조했다. 그는 "전통적인 금속 촉매 반응에서는 백금, 은, 금, 팔라듐과 같은 고가의 금속이나 로듐, 루테늄, 이리듐과 같은 귀금속을 사용했지만, 우리는 세계에서 가장 풍부한 비금속 중 하나인 산소와 구리를 사용하고 있다"고 밝혔다. 이러한 접근 방식은 아민을 생성하는 데 필요한 자원과 비용을 크게 줄일 수 있는 가능성을 보여준다. 아민은 의약품과 비료, 농약 생산에 널리 사용되는 중요한 화학물질이다. 이는 식물과 동물에서 발견되는 분자와 강력한 상호 작용을 하며, 암페타민과 도파민과 같은 약물에서도 발견되는 구성 요소다. 이번 연구를 통해 연구팀은 호르몬, 제약 시약, 펩타이드, 뉴클레오시드 등을 아민으로 변형하는 데 성공했다. 이것은 이 새로운 방법이 다양한 분야에 활용될 수 있음을 보여준다. 하지만 권 교수에게 있어서 가장 큰 장점은 훨씬 저렴한 의약품 생산 가능성일 것이다. 일부 항암제에 사용되는 화학물질은 제조 비용이 그램당 약 3200달러(약 412만원)에 달하지만, 연구팀은 그램당 약 3달러(약 3860원)의 비용으로 동일한 약물 분자를 생산할 수 있었다. 기존 12단계 공정 대신 3단계만 사용 연구팀은 항암 c-Jun N-말단 키나제 억제제를 생산하기 위해 기존의 12단계 공정 대신 단 3단계의 화학 과정만을 사용했다. 또한, 이들은 또 다른 실험에서 아데노신이라는 신경 전달 물질과 DNA 구성 요소를 N6-메틸아데노신 아민으로 전환하는 과정을 한 단계만 거쳐서 수행했다. 이 아민은 세포의 유전자 발현, 질병 과정 및 발달에 중요한 역할을 하며, 현재 생산 비용은 그램당 약 103달러(약 13만2,600원)다. 구리는 현재 파운드당 4달러(약 5150원) 미만으로 풍부하게 구할 수 있기 때문에, 과학자들은 은 이 새로운 방법이 아민 기반 의약품과 다른 유기 물질의 생산 비용을 대폭 절감할 수 있기를 기대한다. 한편, 한국원자력연구원(원장 주한규)의 양성자과학연구단은 지난 7월 치료용 방사성동위원소 구리-67(Cu-67)을 고품질로 대량생산할 수 있는 분석법을 개발해 주목을 받았다. 방사성의약품은 방사성동위원소를 포함하여 질병의 진단과 치료에 사용된다. 구리-67은 진단용 감마선과 암세포를 사멸시키는 치료용 베타선을 방출하는 동위원소로, 동시에 진단과 치료가 가능하며, 기존 동위원소보다 반감기가 짧아(2.5일) 체내 피폭 위험도 적다. 이러한 특성으로 인해 구리-67은 높은 활용 가능성을 가지고 있다고 평가된다. 방사성의약품은 암세포에서 발현하는 특정한 단백질을 표적으로 하여 정상세포에는 영향을 주지 않고 암세포만 선택적으로 제거할 수 있다. 이로 인해 강력한 치료 효과와 함께 높은 안전성을 제공한다. 다만, 구리-67은 다른 핵종과 달리 방출하는 감마선 스펙트럼이 불순물인 갈륨-67(이하 Ga-67)과 정확히 겹쳐 물리적인 측정법으로는 이 두 핵종을 구분할 수 없었다. 이에 양성자과학연구단 입자빔이용연구부 박준규 박사 연구팀은 두 핵종의 감마선 방출강도 뿐만 아니라 반감기 차이(Cu-67은 2.5일, Ga-67은 3.2일)까지 고려한 새로운 해석적 분리방법을 제시했다. 연구팀은 구리-67과 Ga-67 각각의 감마선 세기 합이 전체 감마선 세기와 같다는 점과 감마선 방출 강도 비율, 반감기 차이를 이용했다. 이를 통해 화학적 분리 과정 없이도 구리-67의 정확한 핵자료를 얻을 수 있었다. 한국원자력의학원의 김희진, 김정영 연구원은 "구리-67은 방사능 강도가 낮고 담체가 없는(carrier-free) 방사성동위원소로, 이로 인해 효과적인 암 치료가 가능하다"고 말했다. 이 연구팀은 2025년 경주 양성자가속기를 활용해 고품질 구리-67을 본격적으로 대량 생산할 예정이다.