▲ 백금 단일원자 형성 및 구조 확인 / (왼쪽) 전기도금방법으로 다공성 탄소 표면 위 백금 단일원자(Pt SA) 형성 메카니즘 도식도 (오른쪽) 탄소 표면에 고정된 백금 단일원자(Pt SA) STEM-DF 이미지(스케일 바: 20 nm). 밝은 점으로 단일 원자 위치가 식별됨.(그림 및 설명=노스웨스턴대학 김만수 박사)  © 특허뉴스

값비싼 귀금속 의존이 그린수소 상용화의 최대 걸림돌로 지목돼 온 가운데, 백금을 ‘원자 하나’ 단위로 고정해 성능을 끌어올리면서도 사용량을 극적으로 줄인 차세대 촉매가 나왔다. 성균관대 황동목 교수 연구팀이 노스웨스턴대 조셉 T. 헙(Joseph T. Hupp) 교수팀과 협력해, 간단한 전기도금 공정만으로 모든 백금 원자를 단일원자 상태로 안정적으로 고정한 단일원자 백금 촉매를 구현했다. 상용 촉매 대비 몇 % 수준의 극소량 백금으로도 더 뛰어난 수소 생산 활성을 보여, 귀금속 비용·희소성 문제를 정면 돌파할 해법을 제시했다.

연구의 핵심은 다공성 탄소 지지체의 산화·환원 거동을 정밀 제어해 전기도금 과정에서 백금이 뭉치지 않고 표면 곳곳에 균일·고정되도록 한 점이다. 이렇게 얻은 ‘진정한’ 단일원자 백금 촉매는 수소발생반응(HER)에서 낮은 과전압(≈50 mV) 조건에서 단일 원자당 초당 약 290개의 수소 분자를 만들어내는 최고 수준의 활성을 기록했다. 동시에 전산 모사를 통해 지지체–단일원자 상호작용이 활성 부위의 전자구조를 최적화해 성능 향상을 이끈 메커니즘도 규명했다.

이번 결과는 단일원자 촉매가 지닌 활성–안정성의 동시 달성이라는 난제를 산업 친화적 공정으로 풀었다는 데 의미가 크다. 전기도금은 장비·공정 인프라가 이미 널리 보급돼 대량 생산·확장 적용이 용이하고, 백금 외 다른 귀금속 단일원자 촉매로의 일반화 가능성도 높다. 

황동목 교수는 “단순한 성능 향상을 넘어 다양한 귀금속 단일원자 촉매 개발에 적용될 수 있는 체계적인 연구 전략을 제시한 것”이라며, “단일촉매 제조를 위한 전기도금 방식은 산업적으로 확장이 용이해, 기존 귀금속 전기화학 촉매의 고비용·희소성 문제를 해결할 새로운 돌파구가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이 연구성과는 화학 분야 권위지 ‘미국화학회지(JACS)’ 2025년 9월 10일 자에 게재되고 ACS Editor’s Choice로 선정됐다. 차세대 수전해 시스템의 핵심 부품 국산화와 글로벌 시장 진입을 가속할 수 있는 촉매 플랫폼으로, 학계와 산업계의 후속 확산이 기대된다.

논문명은 Adjusting the Criteria for Hydrogen Evolution by Single-Atom Catalysts이다.