촉매는 화학반응을 만드는 중매쟁이다. 남녀의 만남을 주선하는 중매쟁이처럼 물질 간의 화학반응이 잘 일어나도록 돕는다. 촉매는 다재다능하다. 생명체 속 단백질 촉매인 효소는 생명체가 유지되는 데 필수적인 기능을 하고, 공업에 쓰이는 다양한 촉매들은 비료를 만들고 환경오염을 해결하며 수소연료전지 같은 대체에너지 기술에서도 핵심 역할을 한다.

화학 반응의 속도를 더 빠르거나 느리게 조절하는 촉매는 반응 후 처음 상태로 되돌아간다. 즉 자신은 변하지 않으면서 화학 반응을 도와주는 것이다. 촉매는 그 구성 물질이나 반응방식에 따라 금속촉매, 광촉매, 분자촉매, 생체촉매 등으로 나뉜다.

수소연료전지에 적용 가능한 새로운 나노촉매 개발

최근 온실가스를 배출하는 화석연료를 대체할 대안 중 하나로 수소연료전지가 주목받고 있다. 현대차의 투싼ix Fuel Cell, 도요타의 미라이처럼 수소연료전지를 적용한 상용 차량도 출시되고 있다. 수소연료전지에서도 촉매의 역할은 중요한데, 그 발전효율을 좌우하는 핵심소재가 바로 백금 촉매다.

수소연료전지는 백금 촉매가 포함된 탄소다공체 전극과 고분자 전해질로 구성된다. 수소가 연료극에서 전자를 내놓으면 전류가 발생한다. 동시에 수소이온이 환원극으로 이동하면서 표면적이 넓은 탄소다공체에서 공기 중 산소와 반응해 물을 부산물로 남기게 된다.

학계에서는 수소연료전지의 환원극에서 산소 환원반응을 활성화시키기 위한 촉매 연구가 활발하게 진행돼 왔다.

특히 백금 촉매는 고가라서 전지의 경제성 확보에 큰 부담이 돼, 많은 연구자들이 그 함량을 낮추기 위해 노력하고 있다. 이런 연구에는 크게 3가지 방향이 있는데, 코발트, 니켈, 철 같은 값싼 전이금속을 백금과 섞는 방식(합금), 백금을 값싼 물질의 표면에 감싸는 방식(core-shell), 백금의 모양을 조절해 표면적을 넓히는 방식 등이다.

IBS 나노입자 연구단(단장 현택환 서울대 교수) 성영은 그룹리더(서울대 화학생물학부 교수) 연구진은 연료전지의 백금 사용량을 줄이면서 성능을 높이기 위해 합금 촉매에 주목했다. 백금과 전이금속을 원자 단위로 배열해 반응성을 높이는 동시에, 연료전지 구동 시 쉽게 녹아 입자끼리 서로 뭉치는 현상을 막고 형태를 유지하는 것이 관건이었다.

'15년 12월 IBS 나노입자 연구단은 백금의 함량은 절반으로 낮추면서 그 발전효율은 10배로 높인 수소연료전지 촉매 개발에 성공, ‘미국화학회지(JACS)’ 논문을 통해 발표했다.

연구진은 백금과 철의 나노입자를 규칙적으로 배열해 만든 합금 표면에 도파민(C8H11NO2) 고분자를 코팅한 뒤 열처리해 탄소원자막을 생성시켰다. 이 막은 1nm 이하로 얇아 촉매의 활성을 유지할 수 있다. 동시에, 연료전지 구동 시에도 나노촉매 입자들이 녹아 뭉치지 않도록 그 형태를 잡아줌으로써 긴 시간 높은 효율을 낼 수 있다는 장점이 있다.

실제로 새로운 나노촉매를 수소연료전지의 환원극 활성 촉매로 적용해 실험한 결과, 백금 1g당 발전량이 기존 대비 10배 상승했고, 1만 회 구동했을 때도 성능 저하가 나타나지 않았다.

배기가스 잡고 식량 문제 해결하는 팔방미인

수소연료전지 차량뿐 아니라 전통적인 휘발유, 경유 자동차에도 촉매는 중요하다. 자동차 배기가스를 처리하는 삼원촉매장치는 백금, 팔라듐, 로듐 등의 촉매를 활용해 일산화탄소, 탄화수소, 산화질소 등을 분해, 자동차 배출 공해 물질의 98% 이상을 제거해 준다.

일산화탄소와 탄화수소는 산소와 반응시켜 이산화탄소와 물로, 산화질소 계열은 질소와 산소로 분해해 배출한다.

촉매는 인류의 식량문제 해결에도 크게 기여했다. 19세기 산업혁명 이후 인구가 급증하자 더 많은 식량이 필요했고, 곡식의 생산량을 늘리기 위해 비료를 사용하기 시작했다. 그러던 중 1910년경 독일의 화학자 프리츠 하버와 카를 보슈가 공기 중의 질소와 수소를 이용해 질소비료의 주원료인 암모니아를 대량 생산하는 방법을 개발했다.

하버-보슈법이라 불리는 이 방법에서 철, 산화알루미늄, 산화칼륨으로 구성된 촉매가 중요한 역할을 했다.

사실 우리 생활 곳곳에서도 촉매의 활약은 계속되고 있다. 추울 때 손으로 만져주면 따뜻해지

는 주머니난로, 가스레인지, 에어컨이나 공기청정기의 필터, 가스경보기 등에 촉매가 쓰인다.

주머니난로는 벤젠이 든 천을 밀폐용기에 넣고 입구를 백금이 든 석면으로 막는데, 백금이 촉매로 작용해 벤젠이 공기 중에서 산화되면서 열이 발생하게 된다. 또 촉매는 음식을 조리할 때 발생하는 유해가스를 정화하거나, 담배냄새를 잡을 때, 가스경보기 센서가 누출된 가스와 접촉할 때 반응을 일으키는 데 사용된다.

최근에는 대기 정화, 항균, 탈취 등의 기능을 하는 광촉매가 생활환경을 쾌적하게 하는 데 활용되고 있다. 광촉매는 빛에너지를 받아 화학반응을 촉진시키는 물질로, 이산화티탄이 대표적인 사례다. 이산화티탄은 대기오염의 원인물질을 제거할 수 있어 건물 외벽, 터널 벽, 고속도로 방음벽 등에 설치하면 다양한 유해가스를 분해할 수 있다.

또 광촉매를 욕실타일에 설치하면 세균 번식을 막을 수 있고 유리 표면에 코팅하면 기름얼룩을 분해하고 김 서림을 방지할 수 있다.

우리 몸속에도 촉매가 있다. 몸속에서 작용하는 각종 효소가 바로 생체촉매이다. 소화효소는 음식물이 몸 안에서 잘 소화되도록 도와주는 역할을 한다. 무엇보다 촉매가 많이 쓰이는 수요처는 화학제품의 생산 공정이다. 석유화학제품 제조뿐 아니라 석유정제, 가스제조, 고분자중합, 의약품 및 식품제조 등에서 촉매가 핵심 역할을 한다.

경제성과 친환경성 2마리 토끼 잡아라

최근의 촉매 연구동향은 2가지 목표를 지니고 있다. 경제성이 있으면서도 친환경적이어야한다는 것이다. IBS에는 촉매반응을 주로 탐구하는 연구단인 분자활성 촉매반응 연구단도 두가지 목표중 하나는 친환경적으로 가치 있는 탄화질소 화합물을 합성하는 방법을 개발하는 것이고, 다른 하나는 고가의 중금속 촉매를 저렴한 유기촉매로 대체해 경제성을 높이는 연구다.