경상국립대학교(GNU·총장 권진회) 자연과학대학 화학과 최명룡 교수(광화학 나노소재 전문 핵심연구지원센터장) 연구팀이 고엔트로피 합금 기반 수소·산소·하이드라진 산화 반응용 다기능 촉매와, 질산염 저감을 위한 고내구성 전기화학 촉매를 각각 개발했다.

이번 연구 성과는 세계적 학술지 《스몰(Small)》(IF: 12.1)과 《저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)》(IF: 9.5)에 발표했다. 박사과정 박채은 씨가 제1저자로 참여한 2편의 논문은 연구의 우수성과 학술적 가치를 인정받아 각각 표지 논문으로 선정됐다.

《스몰》에 게재된 첫 번째 논문은, 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au)으로 구성된 고엔트로피 합금(HEA)을 다중벽 탄소나노튜브(CNT)에 도입한 촉매 시스템을 개발했다. 이 촉매는 수소 발생 반응(HER), 산소 발생 반응(OER), 하이드라진 산화 반응(HzOR)의 삼중 기능을 갖추고 있어 기존의 물 전기분해보다 낮은 에너지로 고효율 수소 생산이 가능하다.

특히 펄스 레이저 유도 액상합성법(PLIL)을 활용해 균일하게 분산된 나노 입자를 형성함으로써 금속 간 전자 구조 상호작용과 표면 활성점 밀도를 극대화했으며 실시간 라만 분광 분석과 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 백금과 팔라듐이 각각 수소 흡착과 하이드라진 분해의 활성 중심임을 규명했다. 연구진은 이 촉매를 기반으로 하이드라진 수소 생산 시스템을 구현하고 장기 안정성과 구조적 내구성까지 입증했다.

두 번째 논문은 《저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A》에 게재된 연구로, CO2 레이저로 표면 개질된 흑연 펠트(GF)에 전기화학적으로 코발트 인화물(CoP2)을 증착시킨 촉매(CoP2/GO–GF)를 개발하여 질산염(NO2-)을 암모니아(NH3)로 전환하는 전기화학 촉매 시스템을 구현했다.

이 연구는 폐수 내 질산염 제거와 동시에 암모니아를 생산함으로써, 환경과 에너지 문제를 함께 해결할 수 있는 지속 가능한 접근법을 제시한 점에서 주목된다. 개발된 촉매는 전자 이동 저항을 효과적으로 낮추고, 전극과 전해질 간의 상호작용을 강화하여, 높은 선택성과 전환 효율을 실현했다.

또한, 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 및 밀도범함수이론(DFT) 분석을 통해 질소산화물(NO) 중간체를 거쳐 암모니아가 생성된다는 반응 메커니즘을 명확히 규명했다. 이 시스템은 10회 이상의 재사용 실험에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동했으며, 이는 실제 수질 개선 및 암모니아 기반 에너지 시스템의 실용화 가능성을 함께 입증한 것이다.

최명룡 교수는 “이번 연구는 고엔트로피 합금과 전이금속 인화물 촉매를 각각 하이드라진 분해와 질산염 환원 반응에 최적화하여, 폐기물 자원화와 청정 너지 생산을 결합한 대표적 사례이다”라며 “레이저 및 전기화학 기반 합성 기술의 확장성과 응용 가능성을 고려할 때 다양한 환경·에너지 융합 분야로의 적용이 기대된다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단(NRF) 및 교육부가 주관하는 기초과학 연구역량 강화사업 ‘광화학 나노소재 전문 핵심연구지원센터’, ‘인프라 고도화: 실시간 극저온 엑스선 흡수 분광기 구축을 통한 우주극한환경 대응 광화학 소재 개발’, ‘거점: 영남권 실시간 극저온 XAS 기반 우주 극한소재 연구 네트워크 활성화’ 사업의 지원을 바탕으로 수행됐다.