수소 에너지 혁신 가속화를 위한 이리듐 대체 촉매 발견

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Scientists at Northwestern University used a nanoparticle “megalibrary” to rapidly discover a low-cost, high-performance alternative to iridium for clean hydrogen production.

노스웨스턴 대학교의 연구원들은 나노입자 "메가라이브러리"를 사용하여 청정 수소 생산을 위한 이리듐에 대한 저렴하면서도 고성능의 대안 물질을 발견했습니다.

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사진출처) Jin Huang and Siyuan Zuo

 

수소 에너지 상용화의 걸림돌로 지목되어 왔던 고가의 귀금속인 이리듐(iridium)을 대신할 수 있는 촉매 물질을 나노기술을 통하여 발견되었다고 합니다. 연구진은 후보 물질을 찾아내었으며, 차세대 청정에너지 시대를 여는 데 중요한 전환점을 마련할 수 있다고 합니다.

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수소를 친환경적으로 생산하는 핵심 기술인 물 분해(water splitting) 과정에서 산소 발생 반응(OER)을 촉진하는 데 이리듐 기반 촉매가 가장 효과적인 것으로 알려져 있습니다. 그러나 이리듐은 지구상에 매우 희소하고, 금보다 비싼 약 온스당 5,000달러에 거래될 정도로 고가입니다. 이 때문에 전 세계적인 수소 경제 전환에는 근본적인 제약이 있었습니다.

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“메가라이브러리”라는 혁신적 도구

​미국 노스웨스턴대학교(Northwestern University)의 관련 연구팀은 ‘메가라이브러리(megalibrary)’라는 세계 최초의 나노 소재 데이터 팩토리를 활용해 이리듐을 대체할 새로운 촉매를 발견했습니다. 메가라이브러리는 손톱만 한 칩 위에 수천만 개의 나노입자를 배열한 플랫폼으로, 다양한 금속 조합을 동시에 실험할 수 있습니다.

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연구진은 토요타 리서치 인스티튜트(TRI)와 협력해 루테늄(Ru), 코발트(Co), 망간(Mn), 크로뮴(Cr) 등 값싸고 풍부한 금속 4종을 조합해 약 1억 5,600만 개의 나노입자를 테스트했습니다. 그 결과 Ru52Co33Mn9Cr6 산화물 조합이 높은 안정성과 성능을 보이며 최적 후보로 떠올랐습니다.

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실험실 단계를 넘어 실제 장치에 적용한 결과, 이 촉매는 기존 이리듐 촉매와 유사하였으며, 일부 조건에서는 오히려 이리듐의 성능을 뛰어넘었습니다. 특히 산성 환경에서 1,000시간 이상 안정적으로 작동했으며, 이 산화물 조합의 가격은 이리듐 대비 약 1/16 수준에 불과합니다.

 

사진출처) Jin Huang and Siyuan Zuo

 

이번 성과는 단순히 수소 에너지 비용 절감에 그치지 않습니다. 방대한 데이터셋을 생성하는 메가라이브러리 접근법은 인공지능(AI) 및 머신러닝과 결합해, 향후 배터리, 바이오 의료기기, 광학 소재 등 다양한 분야에서 혁신적 소재를 발굴하는 길을 열 것으로 기대됩니다.

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연구를 주도한 채드 미르킨(Chad A. Mirkin) 교수는 “우리는 세상에서 가장 강력한 합성 도구 중 하나를 활용해, 값싸고 안정적이며 풍부한 대체 촉매를 단기간에 찾을 수 있었다”며 “앞으로 AI와 결합하면 인류가 필요로 하는 최적의 소재를 전례 없는 속도로 발견할 수 있을 것”이라고 합니다.

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이번 연구는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS) 8월 19일자에 게재됐으며, 토요타 리서치 인스티튜트, 미 육군 연구소, 바이오메이드(BioMADE) 등 기관의 지원을 받았다고 합니다.

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※ 기사 내용 참조

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[SciTechDaily] Scientists Discover a Cheaper, More Powerful Catalyst for Clean Hydrogen Energy | By Northwestern University | August 23, 2025 | https://scitechdaily.com/scientists-discover-a-cheaper-more-powerful-catalyst-for-clean-hydrogen-energy/

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※ Reference: “Accelerating the Pace of Oxygen Evolution Reaction Catalyst Discovery through Megalibraries” by Jin Huang, Zhe Wang, Jiashun Liang, Xiao-Yan Li, Jacob Pietryga, Zihao Ye, Peter T. Smith, Alp Kulaksizoglu, Connor R. McCormick, Jaerim Kim, Bosi Peng, Zeyan Liu, Ke Xie, Steven B. Torrisi, Joseph H. Montoya, Gang Wu, Edward H. Sargent and Chad A. Mirkin | 19 August 2025 | Journal of the American Chemical Society. | DOI: 10.1021/jacs.5c08326

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