광주과학기술원(GIST) 화학과 서준혁 교수 연구팀이 수소 발생 반응의 새로운 전환점을 제시하며 친환경 수소 생산 기술 발전에 기여할 핵심 메커니즘을 규명했다.
이번 연구는 전기화학 반응의 중심 소재로 주목받는 텅스텐(W) 기반 착화합물을 이용해, 수소결합이 수소 발생 반응을 어떻게 촉진하는지 실험적으로 밝혀낸 것이 핵심이다.
GIST 연구팀은 디티올렌(dithiolene)이라는 특수한 리간드(ligand) 분자를 텅스텐 금속에 결합시킨 화합물을 통해, 수소결합이 촉매 내 전자와 양성자의 동시 이동에 결정적 역할을 한다는 사실을 입증했다.
이 같은 메커니즘은 전기화학 반응 효율을 높이는 결정적 요소로 작용하며, 향후 인공광합성, 이산화탄소 전환, 수전해 등 차세대 에너지 전환 기술에 응용 가능성이 높다.
기존까지는 촉매 중심 금속의 전자 구조에만 주목해왔지만, 이번 연구에서는 금속 주변 분자 구조가 전자 이동에 실질적인 영향을 미친다는 점이 부각됐다.
특히 디티올렌 분자가 수소결합을 통해 금속 중심의 산소(W=O)와 함께 전자 흐름을 유도하며, 이로 인해 낮은 전압에서도 수소 발생이 가능하다는 점이 확인됐다.
실험은 트라이에틸암모늄이라는 약산성 물질을 첨가한 상태에서 단결정 X선 분석과 전자상자성공명(EPR) 분석을 통해 진행됐다.
이 과정에서 텅스텐 산소 원자와 디티올렌 황 원자에 동시에 수소결합이 형성되며, 전자와 양성자가 함께 이동하는 ‘전자-양성자 동시 전달’ 현상이 촉진됐다.
이는 W(III)–OH 중간체의 생성으로 실험적 검증에도 성공했다.
이론 계산(DFT) 또한 이중 수소결합 구조가 전자 상태를 안정화하고 촉매 활성을 높인다는 점을 뒷받침했다.
실제 수소 발생 성능 실험에서도 해당 텅스텐 착화합물은 약 99%의 패러데이 효율과 함께 초당 약 12만 2277회의 턴오버 빈도(TOF)를 기록해, 수소 생산 효율 측면에서도 우수한 성과를 나타냈다.
서준혁 교수는 “이번 연구를 통해 금속 주변에 결합된 분자가 단순히 금속을 안정화하는데 그치지 않고, 전자와 양성자의 이동을 실질적으로 돕는다는 사실을 실험으로 입증했다”며 “이로써 인공광합성, 이산화탄소 전환, 수전해 기술 등 차세대 에너지 전환 반응의 기본 원리를 더 깊이 이해하고 설명할 수 있게 됐다”고 설명했다.
이번 연구는 세계적 권위의 화학 저널인 ‘앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)’에 게재되며 국제적 관심을 모으고 있다.
배동현 ([email protected]) 기사제보
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