[신기술] 서울대, 온실가스 분해 14.4배 높인 ‘나노메이스’ 촉매 개발

세계 최초 나노큐브·나노로드 화학적 접합 나노구조 구현

계면 엔지니어링 기반 촉매 설계 원리 제시…친환경 촉매 상용화 기대

한정우 서울대학교(총장 유홍림) 공과대학 재료공학부 교수 연구팀이 온실가스 분해 등 다양한 촉매 반응에서 기존 상용 촉매보다 최대 14.4배 높은 성능을 내는 나노구조 촉매를 개발했다.

촉매 분야의 핵심 소재인 세리아(CeO₂)는 자동차 배기가스 정화와 수소 생산 등 다양한 산화환원 반응에서 귀금속 촉매를 대체하거나 보완하는 역할을 한다. 그러나 기존에는 세리아 나노큐브와 나노로드처럼 서로 다른 형태의 세리아를 화학적으로 결합해 성능을 높이는 접근은 시도된 바 없었다. 연구팀은 세리아 나노큐브와 나노로드를 화학적으로 이어 붙여 ‘나노메이스(Nanomace)’라는 새로운 나노구조체를 세계 최초로 합성했다.

나노메이스는 막대 형태의 나노로드 표면에 정육면체 나노큐브가 결합한 구조다. 서로 다른 결정이 화학적으로 결합하면서 접합부의 원자 배열이 불규칙하게 변하고, 이로 인해 격자 산소가 쉽게 활성화돼 촉매 반응이 활발하게 일어난다.

특히 이 접합부는 전체 표면의 일부에 불과하지만 전체 촉매 반응의 약 3분의 1을 담당하는 핵심 활성 부위인 것으로 나타났다. 이러한 구조 덕분에 나노메이스는 기존 단일 형태의 세리아보다 더 낮은 온도에서도 산소를 활성화해 촉매 반응을 시작할 수 있었다.

연구팀은 인공지능(AI) 기반 시뮬레이션을 통해 접합 부위에서 격자 산소가 쉽게 활성화되는 원리를 원자 수준에서 규명했으며, 이를 통해 촉매 성능을 높이는 새로운 계면 엔지니어링 설계 원리를 제시했다. 

나노메이스는 다양한 촉매 반응에서도 우수한 성능을 보였다. 연구팀이 나노메이스를 지지체로 활용해 금(Au)·팔라듐(Pd)·로듐(Rh) 등의 귀금속을 소량 담지한 결과, 성격이 다른 여러 촉매 반응에서 기존 상용 촉매보다 최대 14.4배 높은 성능을 기록했다.

금을 담지한 촉매는 수성가스 전환 반응을 통해 수소(H₂)를 생산했고, 팔라듐과 로듐을 담지한 촉매는 각각 메탄(CH₄)과 아산화질소(N₂O)를 분해했다. 또한 금을 담지한 나노메이스 촉매는 영하 70℃에서도 일산화탄소(CO)를 제거했으며, 150시간 이상 안정적인 성능을 유지해 실용화 가능성도 입증했다.

그림 1. 나노메이스의 촉매 성능과 격자 산소 활성화 매커니즘

(왼쪽) 반응 온도에 따른 유해가스(일산화탄소, CO) 저감 비율로, 나노메이스가 나노로드·나노큐브·상용 촉매보다 가장 낮은 온도에서 가장 빠르게 반응한다. (오른쪽) 나노메이스용 그래프 신경망 모델로 수행한 분자동력학 시뮬레이션. 세리아(CeO2)의 큐브-로드 이음새에서 일산화탄소가 격자 산소와 만나 전환되는 과정을 원자 수준에서 보여준다.

 

이번에 개발한 나노메이스 촉매는 자동차와 산업 현장의 유해가스 정화는 물론 청정 수소 생산과 탄소중립 에너지 기술에도 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 한정우 교수는 “이번 연구는 촉매의 형태를 정밀하게 제어하는 것만으로도 격자 산소의 활성을 극대화할 수 있음을 보여준 성과”라며 “다양한 산화환원 반응에 적용할 수 있는 범용 촉매 설계 원리가 될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구에는 서울대 재료공학부 정석현 박사, 김윤경 박사과정생, 장명곤 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 서울대와 성균관대학교, 포항공과대학교(POSTECH), 한국기술교육대학교, 일본 SPring-8 연구진이 공동으로 수행했다.

연구 결과는 국제 학술지 『네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)』에 ‘격자 산소 활성화를 촉진하는 계층적 세리아 나노구조를 이용한 고효율 산화환원 반응(Hierarchical ceria nanoarchitecture enabling accelerated lattice oxygen activation for efficient redox reactions)’이라는 제목으로 게재됐으며, 저널 편집부가 촉매 분야의 우수 연구를 소개하는 ‘편집자 하이라이트 촉매(Catalysis) 포커스’에 선정됐다.

[『워터저널』 2026년 8월호에 게재]