고효율 철 착화합물의 반응 모식도 및 촉매 순환 전압 전류 곡선. GIST 제공

GIST 화학과 서준혁 교수(왼쪽부터), 이주은 석·박 통합과정 학생, 허동욱 GIFT 학·석·박 통합과정 학생. GIST 제공

광주과학기술원(GIST)이 자연계 효소의 원리를 모사해 수소 생산 효율을 극대화할 수 있는 핵심 메커니즘을 규명했다.

GIST는 화학과 서준혁 교수 연구팀이 철(Fe) 기반 화합물 내 전자스핀 간 상호작용을 정밀 제어해 에너지 손실 없이 연속적인 전자 전달을 구현, 수소 생산 반응의 새로운 경로를 제시했다고 23일 밝혔다.

이번 연구는 생체 내 수소 생성 효소인 ‘하이드로제네이스(Hydrogenase)’ 구조를 모사해, 하나의 철 원자만으로도 연속 전자 이동이 가능한 반응 메커니즘을 실험적으로 입증한 것이 핵심이다. 이 메커니즘을 적용한 철 기반 촉매는 전기량 대비 100%의 수소 생산 효율과 초당 22만 개 이상의 수소 분자 생성률을 기록했다.

연구팀은 철 이온과 결합하는 리간드(Ligand) 분자와의 상호작용을 정밀하게 조절해 에너지 장벽 없이 연속 전자 이동을 가능케 했다. 이를 통해 기존 수소 촉매 기술의 한계를 극복할 수 있는 가능성을 제시했다.

서준혁 교수는 “이번 연구는 전자스핀 조절을 통해 전자 이동의 효율을 높일 수 있다는 점을 입증한 기초과학적 성과”라며 “이 원리는 수소 생산뿐만 아니라 연료전지, 전기화학 기반 이산화탄소 전환 등 다양한 에너지 전환 기술에 적용될 수 있는 중요한 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구에는 GIST 박사과정생 이주은·허동욱 씨가 공동 1저자로 참여했으며, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 특히 허동욱 씨는 학·석·박사 통합 프로그램 ‘GIFT’ 1기생으로, 학부 시절부터 연구에 참여해 이번 성과를 이끌어낸 대표적 사례로 주목받고 있다.

연구 성과는 국제학술지 ‘미국 화학회지(JACS)’에 지난 4월 23일 온라인 게재됐다.