“고산화 수소 생성 원리 규명”…GIST, 촉매 설계 혁신 방향성→차세대 에너지 촉진

광주과학기술원(GIST) 연구팀이 차세대 에너지 산업의 심장부인 수소 발생 촉매 분야에서 세계적 전환점을 마련했다. 텅스텐과 디티올렌의 독특한 결합 구조에서 기존의 통념을 뒤흔드는 반응 원리와 경로를 밝혀냄으로써, 수소를 친환경 에너지의 핵심 자원으로 전환하는 과학적 이해의 지평이 크게 넓어졌다는 평가다. 연구진은 이 촉매 메커니즘의 작동 근거를 세계 최초로 실험적으로 입증하며, 차세대 촉매 설계의 길을 제시했다.

최근까지 수소 발생 반응의 연구는 금속 중심부의 전자 구조에 집중돼 왔다. 그러나 이번 연구는 금속 주변 리간드가 단순한 안정화 기능을 넘어서 전자와 양성자의 원활한 이동을 주도한다는 증거를 확보했다. GIST 서준혁 교수팀은 디티올렌 리간드가 결합된 고산화 텅스텐 착화합물에 주목해, 약산성 환경에서 금속에 결합된 산소(W=O)와 디티올렌의 황(S) 원자 두 곳에 동시에 수소 결합이 형성됨을 확인했다. 단결정 X선 분석과 전기화학 실험은, 이 이중 수소 결합이 전자구조에 미세한 변화를 야기해, 전자의 이동성과 양성자 전달을 비약적으로 향상시킴을 밝혔다. 이에 따라 텅스텐이 비교적 낮은 에너지에서도 환원돼 수소 생산 반응을 더욱 효율적으로 할 수 있게 됐다는 점이 부각됐다.

연구는 촉매가 어떤 구조를 가질 때 전자와 양성자가 조율된 방식으로 이동하며, 에너지 전환 효율을 극대화할 수 있는지에 대한 근본적인 통찰을 제공한다. 서준혁 교수는 금속과 리간드의 결합이 안정화에 머물지 않고, 촉매적 작용의 내밀한 동역학을 결정짓는다는 사실을 실험적으로 규명했다고 설명했다. 그는 "이번 성과는 인공광합성, 이산화탄소 전환, 수전해 등 기초 에너지 전환 기술의 미래 혁신을 견인할 것"이라고 밝혔다. 이 연구는 김진 순천대학교 교수, 김선희 박사(한국기초과학지원연구원·중앙대), 조경빈 전북대 교수 등과 공동 수행됐으며, 국제학술지 앙게반테 케미 국제판에 지난달 게재돼 해외 학계에도 깊은 반향을 불러일으켰다. 전문가들은 본 연구가 수소 촉매 설계의 패러다임을 전환하는 기술적 이정표로 자리매김할 것으로 전망하고 있다.