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수소결합에 의한 분자 궤도 에너지 준위 감소 현상(왼쪽)과 전자상자성공명(EPR) 분석에 의해 생성이 최초로 관찰된 텅스텐-하이드록사이드 화학종. GIST 제공

[파이낸셜뉴스] 수소를 생산하기 위한 차세대 전기화학 촉매 개발에 중요한 전환점을 제시하는 연구 결과가 발표됐다.

17일 광주과학기술원(GIST)에 따르면 GIST 화학과 서준혁 교수 연구팀은 텅스텐(W) 금속에 디티올렌(dithiolene)이라는 독특한 리간드(ligand) 분자가 결합된 착화합물을 이용해, ‘수소 결합’이 수소 발생 반응을 어떻게 도울 수 있는지 입증했다.

이번 연구는 고산화 상태의 금속을 이용한 수소 발생 반응의 작동 원리를 밝혀낸 것으로, 차세대 촉매를 어떻게 설계해야 할지에 대한 새로운 방향을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히 촉매가 작동할 때, 금속 자체뿐 아니라 금속 주변에 결합한 리간드와의 상호작용이 매우 중요하다는 사실을 확인했으며, 그동안 주목받지 못했던 주변 분자들이 실제 반응 효율에 결정적인 영향을 줄 수 있음을 보여주었다는 평가다.

수소 발생 반응은 수소 가스를 친환경 에너지원으로 활용하기 위한 핵심 기술이다. 기존에는 촉매 중심에 있는 금속의 전자 구조에 주로 관심이 집중됐지만, 최근에는 금속 주변에 붙어 있는 분자들이 금속의 성질을 바꾸고 반응을 조절하는 역할에도 관심이 커지고 있다.

연구팀은 실험을 통해, 텅스텐 착화합물 내에서 약산성 물질이 금속에 결합된 산소(W=O)와 디티올렌 분자의 황(S) 원자 두 곳에 동시에 수소 결합을 형성하며, 이를 통해 전자와 양성자가 함께 이동해 수소 발생 반응이 원활히 일어나는 전자 구조가 만들어진다는 것을 세계 최초로 입증했다. 또 수소(H) 대신 무거운 동위원소인 중수소(D)를 사용한 실험에서도 반응 속도 차이(H/D 비율 1.62)가 나타나, 수소 결합을 통한 양성자 이동 과정이 반응 속도에 직접 영향을 준다는 사실이 입증됐다.

실험을 통해 촉매 성능도 입증됐는데, 해당 텅스텐 착화합물은 99%에 달하는 패러데이 효율과 함께 초당 약 12만2277회의 턴오버 빈도(TOF)를 기록해 뛰어난 수소 생산 능력을 나타냈다. 패러데이 효율은 전기화학 반응에서 사용된 전기가 실제로 원하는 화학물질을 만드는 데 얼마나 효과적으로 쓰였는지를 나타내는 지표이며, 턴오버 빈도(TOF, Turnover Frequency)는 촉매 1분자가 단위 시간 동안 몇 번의 화학 반응을 수행하는지를 나타내는 값으로 촉매의 반응 속도와 효율을 정량적으로 평가하는 지표다.

서준혁 교수는 “이번 연구를 통해 인공광합성, 이산화탄소 전환, 수전해 기술 등 차세대 에너지 전환 반응의 기본 원리를 더 깊이 이해하고 설명할 수 있게 됐다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 독일화학회가 발행하는 국제학술지 '앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition, ACIE)'에 2025년 5월 22일 온라인 게재됐다.

jiany@fnnews.com 연지안 기자

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