이산화탄소에서 아세톤 생산 기술 최초 개발 - 석유화학 대체로 기후변화 대응의 새로운 돌파구 열려 지구온난화의 주 원인인 이산화탄소를 활용하여 기존의 석유화학 제품을 대체할 수 있는 탄소자원화* 원천기술이 개발되었다. * 탄소자원화 : 저급 탄소 원료(이산화탄소 등)를 이용하여 다양한 탄소화합물로 전환하는 고부가화 기술 한국연구재단(이사장 정민근)은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)과의 공동연구를 통해 인공 시아노박테리아**를 이용하여 태양광과 이산화탄소에서 아세톤***을 직접 생산할 수 있는 태양광세포공장****을 최초로 개발하였다고 밝혔다. ** 시아노박테리아 : 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 식물보다 빠른 세포성장과 생산할 수 있다. *** 아세톤 : Cumeme 공법에 의해 페놀 생산 공정의 병산물로 발생하며, 아크릴 수지 및 BPA, 용제 등으로 사용된다. **** 태양광세포공장 : 미생물대사공학기술을 이용하여 인위적으로 다양한 화학제품을 대량 생산하는 공장의 개념인 ‘세포공장’에 무한한 태양광에너지를 적용하여 광합성이 가능한 세포공장 한국과학기술연구원(KIST) 우한민 박사 연구팀은 미래창조과학부 특화전문대학원 학연협력 지원사업을 지원 받아 고려대 심상준 교수와의 공동연구로 수행한 결과, 인공 시아노박테리아의 미생물을 유전자 재조합 기술 (합성생물학과 대사공학*****)로 이용하여 특정 유전자를 삽입하여 태양광과 이산화탄소가 있는 조건에서 광합성 아세톤을 만드는 생물학적 기술 개발에 성공했다. ***** 합성생물학과 대사공학 : 합성생물학은 생명과학적 이해의 바탕에 공학적 관점을 도입한 융합생물공학으로 자연계에 존재하지 않은 생물 구성요소와 시스템을 설계 및 제작하는 분야를 포함하며, 대사공학은 유용 화학제품 및 생물소재의 대량생산을 위해서 세포의 대사과정을 인위적으로 조절하는 학문임. 시아노박테리아는 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 식물보다 빠른 세포성장과 생산을 할 수 있으며, 주위 환경에 따른 세포성장과 생산을 조절할 수 있다. 연구팀은 합성생물학의 기술을 통해 기존 유전자발현시스템을 재설계하고 모듈화된 발현시스템을 구축하였으며, 반응율속단계******를 우회하는 경로를 도입하여 이산화탄소에서 아세톤을 생산할 수 있도록 대사공학기법을 활용하였다. ****** 반응율속단계 : 복잡한 다단계 화학반응 (생화학 및 효소반응 포함)에서 전체 반응속도를 결정하는 가장 느린 반응단계 아세톤은 공업과 화학에서 사용되는 중요한 유기용매 및 화학 중간물질로 석유화학공정에서 이산화탄소 발생과 함께 생산된다. 그러나 이번에 개발된 태양광세포공장(인공 시아노박테리아)은 태양광과 시아노박테리아만으로 아세톤을 생산하면서도 또 다른 이산화탄소 배출이 없어 공기 중의 이산화탄소를 획기적으로 줄일 수 있는 친환경탄소자원화기술로 활용될 수 있다. ○ 석유화학제품을 친환경 바이오화학제품으로 대체할 경우 석유자원 사용량은 최대 65% 감축이 가능하고, 이산화탄소 발생량도 최대 67% 저감이 가능하다(한국과학기술기획평가원, 석유대체 친환경 바이오화학 산업정책 동향 및 R&D 이슈, 2012년). □ 우한민 박사는“이번 연구결과는 지구 온난화에 영향을 미치고 있는 이산화탄소를 순수하게 줄여 나갈 수 있는 기술로 바이오화학제품, 바이오연료 생산 등 쏠라-바이오리파이너리 기술에 적용될 수 있어 향후 기후변화에 대응하는 새로운 돌파구가 될 것”이라며 연구의 의의를 설명했다. ******* 쏠라-바이오리파이너리(Solar-biorefinery) : 오일리파이너리(Oil refinery)와 대응되는 용어로 태양광-바이오기술을 통하여 다양한 화학제품을 생산할 수 있는 기술 이 연구성과는 식물과학 분야 세계적 학술지 플랜트 바이오테크놀로지 저널(Plant Biotechnology Journal)에 2월 16일 게재되었다. <그림자료> 그림1. 유전공학기술을 이용하여 합성생물학의 모듈화전략을 도입하여 이산화탄소로부터 아세톤을 생산하는 인공 시아노박테리아를 개발하였으며, 대사공학 전략을 추가로 도입하여 시아노박테리아 내 반응율속단계를 극복하는 우수한 인공 시아노박테리아를 개발하였다. 또한 편형광반응기를 이용하여 고농도 이산화탄소로부터 아세톤을 생산하였으며, 자동으로 시아노박테리아 배지로부터 분리가 되는 반응공정을 동시에 제시하였다.

이산화탄소에서 아세톤 생산 기술 최초 개발 - 석유화학 대체로 기후변화 대응의 새로운 돌파구 열려 지구온난화의 주 원인인 이산화탄소를 활용하여 기존의 석유화학 제품을 대체할 수 있는 탄소자원화* 원천기술이 개발되었다. * 탄소자원화 : 저급 탄소 원료(이산화탄소 등)를 이용하여 다양한 탄소화합물로 전환하는 고부가화 기술 한국연구재단(이사장 정민근)은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)과의 공동연구를 통해 인공 시아노박테리아**를 이용하여 태양광과 이산화탄소에서 아세톤***을 직접 생산할 수 있는 태양광세포공장****을 최초로 개발하였다고 밝혔다. ** 시아노박테리아 : 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 식물보다 빠른 세포성장과 생산할 수 있다. *** 아세톤 : Cumeme 공법에 의해 페놀 생산 공정의 병산물로 발생하며, 아크릴 수지 및 BPA, 용제 등으로 사용된다. **** 태양광세포공장 : 미생물대사공학기술을 이용하여 인위적으로 다양한 화학제품을 대량 생산하는 공장의 개념인 ‘세포공장’에 무한한 태양광에너지를 적용하여 광합성이 가능한 세포공장 한국과학기술연구원(KIST) 우한민 박사 연구팀은 미래창조과학부 특화전문대학원 학연협력 지원사업을 지원 받아 고려대 심상준 교수와의 공동연구로 수행한 결과, 인공 시아노박테리아의 미생물을 유전자 재조합 기술 (합성생물학과 대사공학*****)로 이용하여 특정 유전자를 삽입하여 태양광과 이산화탄소가 있는 조건에서 광합성 아세톤을 만드는 생물학적 기술 개발에 성공했다. ***** 합성생물학과 대사공학 : 합성생물학은 생명과학적 이해의 바탕에 공학적 관점을 도입한 융합생물공학으로 자연계에 존재하지 않은 생물 구성요소와 시스템을 설계 및 제작하는 분야를 포함하며, 대사공학은 유용 화학제품 및 생물소재의 대량생산을 위해서 세포의 대사과정을 인위적으로 조절하는 학문임. 시아노박테리아는 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 식물보다 빠른 세포성장과 생산을 할 수 있으며, 주위 환경에 따른 세포성장과 생산을 조절할 수 있다. 연구팀은 합성생물학의 기술을 통해 기존 유전자발현시스템을 재설계하고 모듈화된 발현시스템을 구축하였으며, 반응율속단계******를 우회하는 경로를 도입하여 이산화탄소에서 아세톤을 생산할 수 있도록 대사공학기법을 활용하였다. ****** 반응율속단계 : 복잡한 다단계 화학반응 (생화학 및 효소반응 포함)에서 전체 반응속도를 결정하는 가장 느린 반응단계 아세톤은 공업과 화학에서 사용되는 중요한 유기용매 및 화학 중간물질로 석유화학공정에서 이산화탄소 발생과 함께 생산된다. 그러나 이번에 개발된 태양광세포공장(인공 시아노박테리아)은 태양광과 시아노박테리아만으로 아세톤을 생산하면서도 또 다른 이산화탄소 배출이 없어 공기 중의 이산화탄소를 획기적으로 줄일 수 있는 친환경탄소자원화기술로 활용될 수 있다. ○ 석유화학제품을 친환경 바이오화학제품으로 대체할 경우 석유자원 사용량은 최대 65% 감축이 가능하고, 이산화탄소 발생량도 최대 67% 저감이 가능하다(한국과학기술기획평가원, 석유대체 친환경 바이오화학 산업정책 동향 및 R&D 이슈, 2012년). □ 우한민 박사는“이번 연구결과는 지구 온난화에 영향을 미치고 있는 이산화탄소를 순수하게 줄여 나갈 수 있는 기술로 바이오화학제품, 바이오연료 생산 등 쏠라-바이오리파이너리 기술에 적용될 수 있어 향후 기후변화에 대응하는 새로운 돌파구가 될 것”이라며 연구의 의의를 설명했다. ******* 쏠라-바이오리파이너리(Solar-biorefinery) : 오일리파이너리(Oil refinery)와 대응되는 용어로 태양광-바이오기술을 통하여 다양한 화학제품을 생산할 수 있는 기술 이 연구성과는 식물과학 분야 세계적 학술지 플랜트 바이오테크놀로지 저널(Plant Biotechnology Journal)에 2월 16일 게재되었다. <그림자료> 그림1. 유전공학기술을 이용하여 합성생물학의 모듈화전략을 도입하여 이산화탄소로부터 아세톤을 생산하는 인공 시아노박테리아를 개발하였으며, 대사공학 전략을 추가로 도입하여 시아노박테리아 내 반응율속단계를 극복하는 우수한 인공 시아노박테리아를 개발하였다. 또한 편형광반응기를 이용하여 고농도 이산화탄소로부터 아세톤을 생산하였으며, 자동으로 시아노박테리아 배지로부터 분리가 되는 반응공정을 동시에 제시하였다.

이산화탄소에서 아세톤 생산 기술 최초 개발 - 석유화학 대체로 기후변화 대응의 새로운 돌파구 열려 지구온난화의 주 원인인 이산화탄소를 활용하여 기존의 석유화학 제품을 대체할 수 있는 탄소자원화* 원천기술이 개발되었다. * 탄소자원화 : 저급 탄소 원료(이산화탄소 등)를 이용하여 다양한 탄소화합물로 전환하는 고부가화 기술 한국연구재단(이사장 정민근)은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)과의 공동연구를 통해 인공 시아노박테리아**를 이용하여 태양광과 이산화탄소에서 아세톤***을 직접 생산할 수 있는 태양광세포공장****을 최초로 개발하였다고 밝혔다. ** 시아노박테리아 : 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 식물보다 빠른 세포성장과 생산할 수 있다. *** 아세톤 : Cumeme 공법에 의해 페놀 생산 공정의 병산물로 발생하며, 아크릴 수지 및 BPA, 용제 등으로 사용된다. **** 태양광세포공장 : 미생물대사공학기술을 이용하여 인위적으로 다양한 화학제품을 대량 생산하는 공장의 개념인 ‘세포공장’에 무한한 태양광에너지를 적용하여 광합성이 가능한 세포공장 한국과학기술연구원(KIST) 우한민 박사 연구팀은 미래창조과학부 특화전문대학원 학연협력 지원사업을 지원 받아 고려대 심상준 교수와의 공동연구로 수행한 결과, 인공 시아노박테리아의 미생물을 유전자 재조합 기술 (합성생물학과 대사공학*****)로 이용하여 특정 유전자를 삽입하여 태양광과 이산화탄소가 있는 조건에서 광합성 아세톤을 만드는 생물학적 기술 개발에 성공했다. ***** 합성생물학과 대사공학 : 합성생물학은 생명과학적 이해의 바탕에 공학적 관점을 도입한 융합생물공학으로 자연계에 존재하지 않은 생물 구성요소와 시스템을 설계 및 제작하는 분야를 포함하며, 대사공학은 유용 화학제품 및 생물소재의 대량생산을 위해서 세포의 대사과정을 인위적으로 조절하는 학문임. 시아노박테리아는 빛과 이산화탄소만을 이용하여 경제적으로 대량 배양이 가능하고, 식물보다 빠른 세포성장과 생산을 할 수 있으며, 주위 환경에 따른 세포성장과 생산을 조절할 수 있다. 연구팀은 합성생물학의 기술을 통해 기존 유전자발현시스템을 재설계하고 모듈화된 발현시스템을 구축하였으며, 반응율속단계******를 우회하는 경로를 도입하여 이산화탄소에서 아세톤을 생산할 수 있도록 대사공학기법을 활용하였다. ****** 반응율속단계 : 복잡한 다단계 화학반응 (생화학 및 효소반응 포함)에서 전체 반응속도를 결정하는 가장 느린 반응단계 아세톤은 공업과 화학에서 사용되는 중요한 유기용매 및 화학 중간물질로 석유화학공정에서 이산화탄소 발생과 함께 생산된다. 그러나 이번에 개발된 태양광세포공장(인공 시아노박테리아)은 태양광과 시아노박테리아만으로 아세톤을 생산하면서도 또 다른 이산화탄소 배출이 없어 공기 중의 이산화탄소를 획기적으로 줄일 수 있는 친환경탄소자원화기술로 활용될 수 있다. ○ 석유화학제품을 친환경 바이오화학제품으로 대체할 경우 석유자원 사용량은 최대 65% 감축이 가능하고, 이산화탄소 발생량도 최대 67% 저감이 가능하다(한국과학기술기획평가원, 석유대체 친환경 바이오화학 산업정책 동향 및 R&D 이슈, 2012년). □ 우한민 박사는“이번 연구결과는 지구 온난화에 영향을 미치고 있는 이산화탄소를 순수하게 줄여 나갈 수 있는 기술로 바이오화학제품, 바이오연료 생산 등 쏠라-바이오리파이너리 기술에 적용될 수 있어 향후 기후변화에 대응하는 새로운 돌파구가 될 것”이라며 연구의 의의를 설명했다. ******* 쏠라-바이오리파이너리(Solar-biorefinery) : 오일리파이너리(Oil refinery)와 대응되는 용어로 태양광-바이오기술을 통하여 다양한 화학제품을 생산할 수 있는 기술 이 연구성과는 식물과학 분야 세계적 학술지 플랜트 바이오테크놀로지 저널(Plant Biotechnology Journal)에 2월 16일 게재되었다. <그림자료> 그림1. 유전공학기술을 이용하여 합성생물학의 모듈화전략을 도입하여 이산화탄소로부터 아세톤을 생산하는 인공 시아노박테리아를 개발하였으며, 대사공학 전략을 추가로 도입하여 시아노박테리아 내 반응율속단계를 극복하는 우수한 인공 시아노박테리아를 개발하였다. 또한 편형광반응기를 이용하여 고농도 이산화탄소로부터 아세톤을 생산하였으며, 자동으로 시아노박테리아 배지로부터 분리가 되는 반응공정을 동시에 제시하였다.

한국과학기술연구원(KIST) 이병권 원장은 세계적인 과학전문 저널인 사이언스지(351호) 2016년 2월 26일자 사설 면을 통해 ‘KIST 창립 50주년, 과거의 기적을 넘어’라는 제목의 특별 기고를 게재하였다. 이에 앞서 사이언스지는 1970년 3월, KIST의 설립배경과 경과에 대해 ‘한국의 과학 연구소: 개발도상국의 모델인가?(Korean Science Institute: A Model for Developing Nations?)’라는 기사를 게재한 바 있다. 이번 사이언스지 특별 기고에서 이병권 원장은 한국전쟁 직후 세계 최빈국의 대한민국이 지난 50년간 KIST를 비롯한 과학기술계의 큰 기여를 통해 경제규모 11위의 G20 회원국이 되었다고 설명하였다. 특히, 대한민국 최초의 종합연구기관인 KIST와 KIST를 모태로 한 16개 전문 연구기관들의 연구개발 성과와 상용화가 기존의 농업 중심 경제에서 반도체, 자동차, 철강, 조선, 전자, 기계？부품, 석유화학 등을 포함한 최첨단 기술 기반의 경제대국으로의 기적적인 대전환을 가능하게 했다고 강조했다. 또한, KIST의 주요 연구임무 외에 창조경제 실현과 세계 공동체를 위한 협력에 기여하기 위한 중소기업 지원사업 및 상용화 연구 수행과 KIST의 설립모델을 적용한 V-KIST(Vietnam-Korea Institute of Science and Technology)설립지원 사업에 대해서도 언급하였다. 이병권 원장은 “지난 반세기 동안 대한민국의 발전은 기적이라고 할 수 있고, 향후 50년간 KIST는 과거의 기적을 넘어 국가 연구개발의 선도자와 중심 역할 뿐만 아니라 세계 인류의 삶의 질 향상을 위해 기여하겠다”는 의지를 밝혔다. 사이언스지는 미국과학진흥협회에서 발행하는 과학 전문 주간지로 1880년 창간되어, 1990년 미국과학진흥협회가 인수하면서 미국을 대표하는 세계적인 과학 잡지로 인정을 받고 있다.

유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 이용한 산소 환원 반응 촉매 개발 - 내구성과 안정성 높은 고효율 산소 환원 반응을 일으키는 연료전지 촉매 개발 - 유무기 하이브리드 나노 기술을 통한 수소 연료전지 상용화에 기여 자동차용과 발전용, 휴대용을 포함한 고분자전해질 연료전지 시장은 2012 년 468 M$에서 2017 년 1,248 M$ 로 급격히 성장할 것으로 전망[BCC Research, 2013]된다. 하지만 현재 연료전지 전극에 고가의 백금 촉매를 대량으로 사용하고 있어 아직까지는 에너지 변환장치로서의 경제적 효용성이 낮게 평가되고 있는 실정이다. 특히, 연료전지 환원극 내 산소 환원 반응의 속도는 산화극에서의 수소 산화 반응 속도에 비해 매우 느리기 때문에 산화극 촉매 대비 2 배 이상의 백금 촉매가 사용되어야만 한다. 따라서 저가의 고활성 산소 환원 반응 촉매의 개발이 필요했고, 수소 연료전지로부터의 안정적인 전력 생산을 위해 높은 전기화학적 활성뿐만 아니라 장기 내구성 역시 갖춰야하는 촉매를 개발하는 것이 매우 어려운 과제였다. 지난 10 여 년 동안, 고가의 백금 촉매 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 산소 환원 반응 활성을 극대화기 위해 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe)과 같은 3d 전이금속을 백금과 합금시키는 연구가 활발히 진행되었다. 나노 기술의 발달과 함께 연료전지 환원극에서의 산소 환원 반응을 위한 고활성 백금계 합금 나노 입자를 제조할 수 있었으나, 쉽게 산화되는 3d 전이금속의 물리적 특성에 의해 이론적으로 가능한 촉매 활성을 충분히 내지 못하였고, 동시에 장기 내구성까지 약화되는 어려움이 있었다. 실제로 제조된 백금-전이금속 합금 나노 입자가 공기(산소) 또는 수분에 노출되면 니켈, 코발트, 철 등의 3d 전이금속 원자를 가진 나노 촉매 입자 표면이 즉각적으로 산화되어 금속산화물을 형성하여 산소 환원 반응 활성은 이론적인 값보다 상대적으로 낮아지게 된다. 또한 나노 촉매 입자 표면에서 공기 및 수분에 의해 이미 산화된 3d 전이금속 원자는 연료전지가 구동되는 높은 전압 및 낮은 pH 환경에서 쉽게 녹아내려 촉매 성능을 급격하게 떨어뜨렸다. <그림 1> KIST 유성종 박사팀은 기존 백금-전이금속 합금 촉매가 가진 근본적인 단점을 보완하기 위해, 아미드(amide)(*용어설명 참조)기를 가진 고분자를 이용하여 나노 촉매 입자 표면에 존재하는 3d 전이금속 원자를 선택적으로 기능화 함으로써 산소 환원 반응 활성 및 장기 내구성이 극대화된 연료전지 촉매를 개발했다. <그림2> 나노 촉매 입자 표면에서 선택적으로 코발트 (Co)-질소 (N) 결합을 형성하게 함으로써 코발트에서 백금으로 전달되는 전자 이동을 보다 원활하게 하여 반응 활성 사이트인 백금의 전자 구조를 산소 환원 반응에 보다 유리하게 변형시켜 촉매 활성을 기존 백금계 합금 촉매 대비 약 2배가량 향상시켰고, 나노 입자의 선택적 고분자 기능화에 의한 안정화(passivation) 효과가 나타남으로써 코발트 원자의 소멸(dissolution)을 방지하여 촉매 내구성이 약 4배 정도 향상되었다. <그림 3> 인도 방갈로르에 소재한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사연구팀은 인도의 연구진과 함께 제일원리 전자구조계산 기법(*용어설명 참조)을 통해 순수한 금속상태에서는 코발트 (Co)-질소(N) 결합이 백금-질소결합보다 약하지만 코발트와 백금이 1:1로 섞여 합금을 만드는 경우 백금-질소결합보다 코발트-질소결합이 더 강할 수 있다는 것을 이론적으로 예측하였다. 그리고 이런 결합강도의 역전현상은 코발트에서 백금으로 전하가 전달됨으로써 순수한 코발트와는 다른 전기적, 자기적 특성을 보이기 때문이라고 설명하였다. KIST 유성종 박사는 “유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 통해, 백금계 산소환원반응 촉매가 가지고 있는 치명적인 단점을 효과적으로 보완한 연구라는 관점에서 기존의 연구와 큰 차별성을 가지고 있다”며, “이번 연구로 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 또한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 “본 연구를 통해 백금에 비해 매우 저렴한 자성금속을 촉매로 활용할 수 있어 저렴한 생산비로 높은 반응성과 안정성을 가진 촉매를 개발할 수 있는 가능성을 열었다는 점도 중요하다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업, 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 국가과학기술위원회 CAP과제를 통해 수행되었으며 연구결과는 세계적 권위를 자랑하는 Nature의 자매지로서 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 NPG Asia Materials (IF: 10.118)에 1월 게재되었고, 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Top 10 Articles (most downloaded articles)에 선정되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 (출원번호:2015-0014254) 및 해외 특허 출원도 (출원번호:14/918486) 진행 중에 있다.

유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 이용한 산소 환원 반응 촉매 개발 - 내구성과 안정성 높은 고효율 산소 환원 반응을 일으키는 연료전지 촉매 개발 - 유무기 하이브리드 나노 기술을 통한 수소 연료전지 상용화에 기여 자동차용과 발전용, 휴대용을 포함한 고분자전해질 연료전지 시장은 2012 년 468 M$에서 2017 년 1,248 M$ 로 급격히 성장할 것으로 전망[BCC Research, 2013]된다. 하지만 현재 연료전지 전극에 고가의 백금 촉매를 대량으로 사용하고 있어 아직까지는 에너지 변환장치로서의 경제적 효용성이 낮게 평가되고 있는 실정이다. 특히, 연료전지 환원극 내 산소 환원 반응의 속도는 산화극에서의 수소 산화 반응 속도에 비해 매우 느리기 때문에 산화극 촉매 대비 2 배 이상의 백금 촉매가 사용되어야만 한다. 따라서 저가의 고활성 산소 환원 반응 촉매의 개발이 필요했고, 수소 연료전지로부터의 안정적인 전력 생산을 위해 높은 전기화학적 활성뿐만 아니라 장기 내구성 역시 갖춰야하는 촉매를 개발하는 것이 매우 어려운 과제였다. 지난 10 여 년 동안, 고가의 백금 촉매 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 산소 환원 반응 활성을 극대화기 위해 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe)과 같은 3d 전이금속을 백금과 합금시키는 연구가 활발히 진행되었다. 나노 기술의 발달과 함께 연료전지 환원극에서의 산소 환원 반응을 위한 고활성 백금계 합금 나노 입자를 제조할 수 있었으나, 쉽게 산화되는 3d 전이금속의 물리적 특성에 의해 이론적으로 가능한 촉매 활성을 충분히 내지 못하였고, 동시에 장기 내구성까지 약화되는 어려움이 있었다. 실제로 제조된 백금-전이금속 합금 나노 입자가 공기(산소) 또는 수분에 노출되면 니켈, 코발트, 철 등의 3d 전이금속 원자를 가진 나노 촉매 입자 표면이 즉각적으로 산화되어 금속산화물을 형성하여 산소 환원 반응 활성은 이론적인 값보다 상대적으로 낮아지게 된다. 또한 나노 촉매 입자 표면에서 공기 및 수분에 의해 이미 산화된 3d 전이금속 원자는 연료전지가 구동되는 높은 전압 및 낮은 pH 환경에서 쉽게 녹아내려 촉매 성능을 급격하게 떨어뜨렸다. <그림 1> KIST 유성종 박사팀은 기존 백금-전이금속 합금 촉매가 가진 근본적인 단점을 보완하기 위해, 아미드(amide)(*용어설명 참조)기를 가진 고분자를 이용하여 나노 촉매 입자 표면에 존재하는 3d 전이금속 원자를 선택적으로 기능화 함으로써 산소 환원 반응 활성 및 장기 내구성이 극대화된 연료전지 촉매를 개발했다. <그림2> 나노 촉매 입자 표면에서 선택적으로 코발트 (Co)-질소 (N) 결합을 형성하게 함으로써 코발트에서 백금으로 전달되는 전자 이동을 보다 원활하게 하여 반응 활성 사이트인 백금의 전자 구조를 산소 환원 반응에 보다 유리하게 변형시켜 촉매 활성을 기존 백금계 합금 촉매 대비 약 2배가량 향상시켰고, 나노 입자의 선택적 고분자 기능화에 의한 안정화(passivation) 효과가 나타남으로써 코발트 원자의 소멸(dissolution)을 방지하여 촉매 내구성이 약 4배 정도 향상되었다. <그림 3> 인도 방갈로르에 소재한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사연구팀은 인도의 연구진과 함께 제일원리 전자구조계산 기법(*용어설명 참조)을 통해 순수한 금속상태에서는 코발트 (Co)-질소(N) 결합이 백금-질소결합보다 약하지만 코발트와 백금이 1:1로 섞여 합금을 만드는 경우 백금-질소결합보다 코발트-질소결합이 더 강할 수 있다는 것을 이론적으로 예측하였다. 그리고 이런 결합강도의 역전현상은 코발트에서 백금으로 전하가 전달됨으로써 순수한 코발트와는 다른 전기적, 자기적 특성을 보이기 때문이라고 설명하였다. KIST 유성종 박사는 “유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 통해, 백금계 산소환원반응 촉매가 가지고 있는 치명적인 단점을 효과적으로 보완한 연구라는 관점에서 기존의 연구와 큰 차별성을 가지고 있다”며, “이번 연구로 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 또한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 “본 연구를 통해 백금에 비해 매우 저렴한 자성금속을 촉매로 활용할 수 있어 저렴한 생산비로 높은 반응성과 안정성을 가진 촉매를 개발할 수 있는 가능성을 열었다는 점도 중요하다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업, 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 국가과학기술위원회 CAP과제를 통해 수행되었으며 연구결과는 세계적 권위를 자랑하는 Nature의 자매지로서 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 NPG Asia Materials (IF: 10.118)에 1월 게재되었고, 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Top 10 Articles (most downloaded articles)에 선정되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 (출원번호:2015-0014254) 및 해외 특허 출원도 (출원번호:14/918486) 진행 중에 있다.

유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 이용한 산소 환원 반응 촉매 개발 - 내구성과 안정성 높은 고효율 산소 환원 반응을 일으키는 연료전지 촉매 개발 - 유무기 하이브리드 나노 기술을 통한 수소 연료전지 상용화에 기여 자동차용과 발전용, 휴대용을 포함한 고분자전해질 연료전지 시장은 2012 년 468 M$에서 2017 년 1,248 M$ 로 급격히 성장할 것으로 전망[BCC Research, 2013]된다. 하지만 현재 연료전지 전극에 고가의 백금 촉매를 대량으로 사용하고 있어 아직까지는 에너지 변환장치로서의 경제적 효용성이 낮게 평가되고 있는 실정이다. 특히, 연료전지 환원극 내 산소 환원 반응의 속도는 산화극에서의 수소 산화 반응 속도에 비해 매우 느리기 때문에 산화극 촉매 대비 2 배 이상의 백금 촉매가 사용되어야만 한다. 따라서 저가의 고활성 산소 환원 반응 촉매의 개발이 필요했고, 수소 연료전지로부터의 안정적인 전력 생산을 위해 높은 전기화학적 활성뿐만 아니라 장기 내구성 역시 갖춰야하는 촉매를 개발하는 것이 매우 어려운 과제였다. 지난 10 여 년 동안, 고가의 백금 촉매 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 산소 환원 반응 활성을 극대화기 위해 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe)과 같은 3d 전이금속을 백금과 합금시키는 연구가 활발히 진행되었다. 나노 기술의 발달과 함께 연료전지 환원극에서의 산소 환원 반응을 위한 고활성 백금계 합금 나노 입자를 제조할 수 있었으나, 쉽게 산화되는 3d 전이금속의 물리적 특성에 의해 이론적으로 가능한 촉매 활성을 충분히 내지 못하였고, 동시에 장기 내구성까지 약화되는 어려움이 있었다. 실제로 제조된 백금-전이금속 합금 나노 입자가 공기(산소) 또는 수분에 노출되면 니켈, 코발트, 철 등의 3d 전이금속 원자를 가진 나노 촉매 입자 표면이 즉각적으로 산화되어 금속산화물을 형성하여 산소 환원 반응 활성은 이론적인 값보다 상대적으로 낮아지게 된다. 또한 나노 촉매 입자 표면에서 공기 및 수분에 의해 이미 산화된 3d 전이금속 원자는 연료전지가 구동되는 높은 전압 및 낮은 pH 환경에서 쉽게 녹아내려 촉매 성능을 급격하게 떨어뜨렸다. <그림 1> KIST 유성종 박사팀은 기존 백금-전이금속 합금 촉매가 가진 근본적인 단점을 보완하기 위해, 아미드(amide)(*용어설명 참조)기를 가진 고분자를 이용하여 나노 촉매 입자 표면에 존재하는 3d 전이금속 원자를 선택적으로 기능화 함으로써 산소 환원 반응 활성 및 장기 내구성이 극대화된 연료전지 촉매를 개발했다. <그림2> 나노 촉매 입자 표면에서 선택적으로 코발트 (Co)-질소 (N) 결합을 형성하게 함으로써 코발트에서 백금으로 전달되는 전자 이동을 보다 원활하게 하여 반응 활성 사이트인 백금의 전자 구조를 산소 환원 반응에 보다 유리하게 변형시켜 촉매 활성을 기존 백금계 합금 촉매 대비 약 2배가량 향상시켰고, 나노 입자의 선택적 고분자 기능화에 의한 안정화(passivation) 효과가 나타남으로써 코발트 원자의 소멸(dissolution)을 방지하여 촉매 내구성이 약 4배 정도 향상되었다. <그림 3> 인도 방갈로르에 소재한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사연구팀은 인도의 연구진과 함께 제일원리 전자구조계산 기법(*용어설명 참조)을 통해 순수한 금속상태에서는 코발트 (Co)-질소(N) 결합이 백금-질소결합보다 약하지만 코발트와 백금이 1:1로 섞여 합금을 만드는 경우 백금-질소결합보다 코발트-질소결합이 더 강할 수 있다는 것을 이론적으로 예측하였다. 그리고 이런 결합강도의 역전현상은 코발트에서 백금으로 전하가 전달됨으로써 순수한 코발트와는 다른 전기적, 자기적 특성을 보이기 때문이라고 설명하였다. KIST 유성종 박사는 “유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 통해, 백금계 산소환원반응 촉매가 가지고 있는 치명적인 단점을 효과적으로 보완한 연구라는 관점에서 기존의 연구와 큰 차별성을 가지고 있다”며, “이번 연구로 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 또한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 “본 연구를 통해 백금에 비해 매우 저렴한 자성금속을 촉매로 활용할 수 있어 저렴한 생산비로 높은 반응성과 안정성을 가진 촉매를 개발할 수 있는 가능성을 열었다는 점도 중요하다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업, 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 국가과학기술위원회 CAP과제를 통해 수행되었으며 연구결과는 세계적 권위를 자랑하는 Nature의 자매지로서 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 NPG Asia Materials (IF: 10.118)에 1월 게재되었고, 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Top 10 Articles (most downloaded articles)에 선정되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 (출원번호:2015-0014254) 및 해외 특허 출원도 (출원번호:14/918486) 진행 중에 있다.

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유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 이용한 산소 환원 반응 촉매 개발 - 내구성과 안정성 높은 고효율 산소 환원 반응을 일으키는 연료전지 촉매 개발 - 유무기 하이브리드 나노 기술을 통한 수소 연료전지 상용화에 기여 자동차용과 발전용, 휴대용을 포함한 고분자전해질 연료전지 시장은 2012 년 468 M$에서 2017 년 1,248 M$ 로 급격히 성장할 것으로 전망[BCC Research, 2013]된다. 하지만 현재 연료전지 전극에 고가의 백금 촉매를 대량으로 사용하고 있어 아직까지는 에너지 변환장치로서의 경제적 효용성이 낮게 평가되고 있는 실정이다. 특히, 연료전지 환원극 내 산소 환원 반응의 속도는 산화극에서의 수소 산화 반응 속도에 비해 매우 느리기 때문에 산화극 촉매 대비 2 배 이상의 백금 촉매가 사용되어야만 한다. 따라서 저가의 고활성 산소 환원 반응 촉매의 개발이 필요했고, 수소 연료전지로부터의 안정적인 전력 생산을 위해 높은 전기화학적 활성뿐만 아니라 장기 내구성 역시 갖춰야하는 촉매를 개발하는 것이 매우 어려운 과제였다. 지난 10 여 년 동안, 고가의 백금 촉매 사용량을 저감하면서 동시에 촉매의 산소 환원 반응 활성을 극대화기 위해 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 철 (Fe)과 같은 3d 전이금속을 백금과 합금시키는 연구가 활발히 진행되었다. 나노 기술의 발달과 함께 연료전지 환원극에서의 산소 환원 반응을 위한 고활성 백금계 합금 나노 입자를 제조할 수 있었으나, 쉽게 산화되는 3d 전이금속의 물리적 특성에 의해 이론적으로 가능한 촉매 활성을 충분히 내지 못하였고, 동시에 장기 내구성까지 약화되는 어려움이 있었다. 실제로 제조된 백금-전이금속 합금 나노 입자가 공기(산소) 또는 수분에 노출되면 니켈, 코발트, 철 등의 3d 전이금속 원자를 가진 나노 촉매 입자 표면이 즉각적으로 산화되어 금속산화물을 형성하여 산소 환원 반응 활성은 이론적인 값보다 상대적으로 낮아지게 된다. 또한 나노 촉매 입자 표면에서 공기 및 수분에 의해 이미 산화된 3d 전이금속 원자는 연료전지가 구동되는 높은 전압 및 낮은 pH 환경에서 쉽게 녹아내려 촉매 성능을 급격하게 떨어뜨렸다. <그림 1> KIST 유성종 박사팀은 기존 백금-전이금속 합금 촉매가 가진 근본적인 단점을 보완하기 위해, 아미드(amide)(*용어설명 참조)기를 가진 고분자를 이용하여 나노 촉매 입자 표면에 존재하는 3d 전이금속 원자를 선택적으로 기능화 함으로써 산소 환원 반응 활성 및 장기 내구성이 극대화된 연료전지 촉매를 개발했다. <그림2> 나노 촉매 입자 표면에서 선택적으로 코발트 (Co)-질소 (N) 결합을 형성하게 함으로써 코발트에서 백금으로 전달되는 전자 이동을 보다 원활하게 하여 반응 활성 사이트인 백금의 전자 구조를 산소 환원 반응에 보다 유리하게 변형시켜 촉매 활성을 기존 백금계 합금 촉매 대비 약 2배가량 향상시켰고, 나노 입자의 선택적 고분자 기능화에 의한 안정화(passivation) 효과가 나타남으로써 코발트 원자의 소멸(dissolution)을 방지하여 촉매 내구성이 약 4배 정도 향상되었다. <그림 3> 인도 방갈로르에 소재한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사연구팀은 인도의 연구진과 함께 제일원리 전자구조계산 기법(*용어설명 참조)을 통해 순수한 금속상태에서는 코발트 (Co)-질소(N) 결합이 백금-질소결합보다 약하지만 코발트와 백금이 1:1로 섞여 합금을 만드는 경우 백금-질소결합보다 코발트-질소결합이 더 강할 수 있다는 것을 이론적으로 예측하였다. 그리고 이런 결합강도의 역전현상은 코발트에서 백금으로 전하가 전달됨으로써 순수한 코발트와는 다른 전기적, 자기적 특성을 보이기 때문이라고 설명하였다. KIST 유성종 박사는 “유무기 하이브리드 나노 구조 제어 기술을 통해, 백금계 산소환원반응 촉매가 가지고 있는 치명적인 단점을 효과적으로 보완한 연구라는 관점에서 기존의 연구와 큰 차별성을 가지고 있다”며, “이번 연구로 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 의미가 있다”고 말했다. 또한 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 “본 연구를 통해 백금에 비해 매우 저렴한 자성금속을 촉매로 활용할 수 있어 저렴한 생산비로 높은 반응성과 안정성을 가진 촉매를 개발할 수 있는 가능성을 열었다는 점도 중요하다”고 말했다. 본 연구는 KIST 기관고유 연구사업, 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 국가과학기술위원회 CAP과제를 통해 수행되었으며 연구결과는 세계적 권위를 자랑하는 Nature의 자매지로서 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 NPG Asia Materials (IF: 10.118)에 1월 게재되었고, 연구의 우수성을 인정받아 이달의 Top 10 Articles (most downloaded articles)에 선정되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 (출원번호:2015-0014254) 및 해외 특허 출원도 (출원번호:14/918486) 진행 중에 있다.