▲ 상전이로 유도된 루테늄 탄화물 나노표면 및 염기 수소생산반응에서의 촉매 활성 결과. 입방밀집구조의 루테늄 나노입자를 육방밀집구조로 상전이 시킴으로써 입자 표면에 생성된 루테늄 탄화물의 고분해능 투과전자현미경 이미지 및 루테늄 탄화물이 형성됨에 따라 향상된 전기화학적 수소 생산 반응의 활성 정도를 보여준다.(그림설명 및 그림제공: 경북대학교 최상일 교수 copyright reserved by Wiley-VCH)  © 특허뉴스

수소 생산용 촉매로 쓰일 수 있는 루테늄 탄화물을 안정적으로 얻을 수 있는 실마리가 나왔다. 마찰이나 부식에 강한데다 전기전도성이 좋아 전자, 촉매, 합금 분야 등 하드디스크 코팅이나 만년필 펜촉 등에 쓰이는 루테늄. 최근 그 탄화물에 대한 관심도 이어지고 있지만 합성이 쉽지 않아 어려움이 있었다.

한국연구재단은 경북대학교 화학과 최상일, 영남대학교 화학과 윤영상, 강원대학교 화공·생물공학부 임형규 교수 공동 연구팀이 상전이가 일어나고 있는 루테늄 입자에 탄소를 주입하면 고성능 루테늄 탄화물 촉매를 합성할 수 있음을 알아냈다고 27일 밝혔다.

정육면체의 각 꼭지점과 각 면의 중심에 원자들이 배열하는 ‘입방밀집구조’의 루테늄은 에너지가 조금 높은 준안정한(meta-stable) 상태로 고온에서 조밀한 육각기둥 형태의 각 꼭지점에 원자들이 배열되는 ‘육방밀집구조’로 상전이되면서 안정화된다고 알려져 있지만 이 과정에 대한 이해가 완전하지 못했다.

준안정한 상태의 물질은 독특한 성질 때문에 의약학, 광학, 촉매 분야 등에서 쓰일 것으로 기대를 받지만 안정화되는 과정에 대한 연구는 많지 않았다.

공동 연구팀은 실시간 투과전자현미경과 X-선 회절분석으로 준안정한 루테늄 입자의 결정상 전이과정을 정밀하게 분석하고 이를 토대로 상전이 후 생성되는 새로운 루테늄 탄화물을 발견했다.

고체 탄소 지지체 위에서 합성된 입방밀집구조의 루테늄 원자들이 재배열(원자 미끄러짐) 되면서 루테늄(금속) 격자사이로 탄소(비금속)가 삽입, 금속과 비금속간 새로운 결합을 유도하여 신규 화합물인 루테늄 탄화물이 생성되는 것을 직접 확인한 것이다.

이렇게 얻은 루테늄 탄화물이 백금 촉매 보다 수소생산반응 효율을 4배 이상 높일 수 있었다는 설명이다.

특히 전이과정 후 나타나는 루테늄 탄화물은 추가적인 세척과정 없이 바로 촉매로 활용할 수 있다는 것이 장점이다.

최상일 교수는 “본 연구에서 제시한 합성전략이 루테늄 탄화물 같은 신물질 개발에 기여할 것”이라며 “이를 활용한 고효율 그린 수소생산 시스템 개발에도 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

연구팀은 향후 루테늄 탄화물을 대량으로 얻기 위한 합성조건 최적화 연구 등을 수행할 계획이다.

이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 10월 5일 게재(온라인)되었다.