최근 유엔기후변화협약 당사국총회에서 지구온난화 문제해결을 위한 고강도의 메탄 규제계획을 발표함에 따라 온실가스 저감문제 해결방안이 세계적 화두가 되고 있다.

통상 지구온난화에 영향을 미치는 온실가스로 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 꼽고, 아산화질소(N2O)는 경시하는 경향이 있다. 사실 아산화질소는 생성되는 양은 상대적으로 적으나 온난화지수(global warming potential, GWP)가 메탄과 이산화탄소의 300배 이상이고, 자연 분해되기까지 100년 이상 필요한 만큼 반드시 관리해야하는 물질이다.

이런 가운데 최근 한양대 화학공학과 김경학(사진·31) 교수가 서울대 김재정 교수, 현택환 교수, 포항공대 한정우 교수팀과 공동연구를 통해 고성능·고안정성의 아산화질소 분해촉매 개발에 성공했다. 해당 물질을 상용화할 경우, 지구온난화 문제해결에 크게 기여 할 것으로 기대 받는다.

김경학 교수는 아산화질소가 팔라듐 촉매와 만나면 질소와 산소로 분해되고, 팔라듐(Pd)촉매 표면에 인장력(tensile strain)을 가할 경우 팔라듐 촉매성능이 크게 향상된다는 점에 주목했다. 하지만 기존 팔라듐 촉매에 효율적으로 인장력을 가하기 위해 물리적 힘을 가하거나 환경조건 변화를 유지하기 위한 부가시설 및 그의 운용비용이 소모된다는 문제점이 있었다.

김 교수는 이런 문제를 극복하고자 팔라듐보다 원자반지름이 큰 금(Au)을 활용했다. 김 교수는 금으로 나노입자를 만들고 나노입자의 표면에 팔라듐 원자층을 만드는 ‘코어쉘(core-shell) 구조’를 고안하고, 표면 원자층 두께를 최적화함으로써 외부 에너지소모 없이 팔라듐촉매에 인장력을 가해 촉매 활성과 안정성을 높인 새로운 촉매를 개발했다.

이렇게 디자인된 나노촉매는 기존 촉매 대비 아산화질소 분해능력이 크게 증가됐고, 1000회의 성능테스트 후에도 기존 대비 약 30%의 안정성 증진효과를 보였다. 이는 촉매성능의 핵심 지표인 활성과 안정성 양 측면에서 강점을 보인 것이다.

이번 연구는 최근 주목받고 있는 계산화학적 방법론을 통해 촉매 소재 스크리닝과 촉매현상의 메커니즘 규명을 수행하고, 이를 바탕으로 새로운 촉매설계 방법론을 제시함으로써 실험에 필요한 시간과 비용을 줄이고 연구효율을 높였다는 점에서 큰 의의를 가진다.

이번 연구를 설계하고 주도한 김경학 교수는 “이번 연구결과는 지구온난화 문제해결에 직접 적용될 수 있으며, 이번 연구에 활용된 이론-실험-실증의 연구방법론은 금속 나노입자를 바탕으로 하는 다양한 촉매설계에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업 및 IBS연구단의 지원사업의 도움을 받아 진행되었으며 (논문명 : Systematic Approach to Design of Highly Efficient Core-Shell Electrocatalysts for N2O Reduction) 촉매분야 세계적 권위지인 「ACS Catalysis」지 12월호에 표지논문으로 게재돼 연구의 우수성을 인정받았다.