작은 칩이 청정 에너지의 가장 큰 문제 중 하나를 해결했을 수도 있습니다.

물을 분해하는 반응을 수행하는 새로운 촉매 물질의 예술적 해석. 사진 제공: 진 황, 쓰위안 쭈오

수십 년 동안 전 세계 연구자들은 깨끗한 수소 연료 생산에 사용되는 매우 희귀하고 값비싼 금속인 이리듐을 대체할 물질을 찾아왔습니다.

이제 강력한 새로운 도구가 단 한 번의 오후 만에 그 답을 찾아냈습니다.

노스웨스턴 대학교에서 발명하고 개발한 이 도구는 메가라이브러리(megalibrary)라고 불립니다. 세계 최초의 나노소재 "데이터 팩토리"인 메가라이브러리는 하나의 작은 칩에 수백만 개의 독특하게 설계된 나노입자를 담고 있습니다. 도요타 연구소(TRI) 연구진과 협력하여 연구팀은 이 기술을 사용하여 상업적으로 활용 가능한 수소 생산 촉매를 발견했습니다. 그런 다음, 이 소재를 확장하여 장치 내에서 작동할 수 있음을 입증했는데, 이 모든 과정이 기록적인 시간 안에 이루어졌습니다.

과학자들은 대규모 도서관을 통해 풍부하고 저렴한 네 가지 금속(각각 뛰어난 촉매 성능으로 잘 알려져 있음)의 광범위한 조합을 신속하게 분석하여 이리듐과 유사한 성능을 가진 새로운 물질을 찾아냈습니다. 연구팀은 실험실 실험에서 상업용 이리듐 기반 물질의 성능과 동등하거나 심지어 더 뛰어난 성능을 보였지만, 비용은 훨씬 저렴했습니다.

이번 발견은 저렴한 친환경 수소의 가능성을 보여주는 것뿐만 아니라, 연구자들이 다양한 응용 분야에서 새로운 소재를 찾는 방식을 완전히 바꿔놓을 수 있는 새로운 대규모 라이브러리 방식의 효과성을 입증합니다.

해당 연구는 8월 19일 미국화학학회지(JACS) 에 게재되었습니다.

"우리는 세계에서 가장 강력한 합성 도구라고 할 수 있는, 화학자와 재료과학자들이 활용할 수 있는 엄청난 수의 조합을 검색하여 중요한 물질을 찾을 수 있도록 하는 도구를 개발했습니다."라고 이 연구의 수석 저자이자 이 메가라이브러리 플랫폼의 주요 발명자인 노스웨스턴 대학교의 채드 A. 미르킨은 말했습니다. "이번 프로젝트에서 우리는 이러한 역량을 에너지 분야가 직면한 주요 문제에 집중시켰습니다. 바로 이리듐만큼 우수하면서도 더 풍부하고, 더 쉽게 구할 수 있으며, 훨씬 저렴한 물질을 어떻게 찾을 수 있을까 하는 문제입니다. 이 새로운 도구를 통해 유망한 대안을 신속하게 찾을 수 있었습니다."

나노기술의 선구자인 미르킨은 노스웨스턴 와인버그 예술과학대학의 조지 B. 라스만 화학과 석좌교수이자, 매코믹 공과대학의 화학생물공학, 생체의공학, 재료과학 및 공학과 교수이며, 국제나노기술연구소(INI) 소장이기도 합니다. 미르킨은 와인버그 대학의 린 홉튼 데이비스 및 그렉 데이비스 화학과 석좌교수이자, 매코믹 대학의 전기컴퓨터공학과 교수이며, 파울라 M. 트리넨스 지속가능성 및 에너지 연구소 소장인 테드 사전트와 공동으로 연구를 이끌었습니다.

'세상에 이리듐이 부족해'

세계가 화석 연료에서 벗어나 탈탄소화를 향해 나아가면서, 저렴한 친환경 수소가 핵심 요소로 부상했습니다. 깨끗한 수소 에너지를 생산하기 위해 과학자들은 물 분해에 주목했습니다. 이 과정은 전기를 이용하여 물 분자를 수소와 산소라는 두 가지 구성 요소로 분해하는 것입니다.

그러나 이 반응의 산소 발생 반응(OER)은 어렵고 비효율적입니다. OER은 과학자들이 이리듐 기반 촉매를 사용할 때 가장 효과적이지만, 이리듐은 상당한 단점을 가지고 있습니다. 이리듐은 희귀하고 비싸며, 종종 백금 채굴의 부산물로 얻어집니다. 금보다 가치가 높은 이리듐은 온스당 거의 5,000달러에 달합니다.

"세계에는 우리의 예상 수요를 모두 충족할 만큼 이리듐이 충분하지 않습니다."라고 사전트는 말했다. "물을 분해하여 대체 에너지를 생산하는 것을 고려하면, 공급 측면에서만 봐도 이리듐이 충분하지 않습니다."

'칩 하나에 전력 배치'

2016년 메가라이브러리를 도입한 미르킨은 사전트와 함께 이리듐을 대체할 새로운 후보 물질을 찾는 것이 그의 혁신적인 도구를 활용할 수 있는 완벽한 방법이라고 판단했습니다. 전통적으로 물질 발견은 시행착오를 거듭하며 느리고 벅찬 작업이지만, 메가라이브러리는 과학자들이 최적의 조성을 매우 빠른 속도로 찾아낼 수 있도록 해줍니다.

각 메가라이브러리는 수십만 개의 작은 피라미드 모양 팁으로 배열되어 표면에 개별 "점"을 인쇄합니다. 각 점에는 의도적으로 설계된 금속염 혼합물이 포함되어 있습니다. 가열하면 금속염이 환원되어 정확한 구성과 크기를 가진 단일 나노입자를 형성합니다.

"각각의 팁은 작은 실험실에 있는 작은 사람이라고 생각해 보세요."라고 미르킨은 말했다. "작은 사람 한 명이 한 번에 하나의 구조물을 만드는 대신, 수백만 명의 사람들이 함께 작업하게 됩니다. 즉, 칩 하나에 연구원들로 구성된 완전한 군대가 배치된 셈이죠."

그리고 우승자는…

새로운 연구에서 칩에는 루테늄, 코발트, 망간, 크롬의 다양한 조합으로 만들어진 1억 5천 6백만 개의 입자가 포함되어 있었습니다. 그런 다음 로봇 스캐너가 가장 유망한 입자가 OER을 얼마나 잘 수행할 수 있는지 평가했습니다. 이러한 테스트를 바탕으로 미르킨과 그의 팀은 실험실에서 추가 테스트를 진행할 가장 우수한 후보 입자를 선정했습니다.

결국, 하나 의 조성이 발견되었습니다. 네 가지 금속(Ru52Co33Mn9Cr6산화물)을 정밀하게 조합한 것입니다. 다중 금속 촉매는 단일 금속 촉매보다 활성을 높이는 시너지 효과를 발휘하는 것으로 알려져 있습니다.

"저희 촉매는 실제로 이리듐보다 활성이 약간 더 높고 안정성도 뛰어납니다."라고 미르킨은 말했다. "루테늄은 종종 덜 안정적이기 때문에 이런 경우는 드뭅니다. 하지만 구성 성분의 다른 원소들이 루테늄을 안정화시킵니다."

입자의 궁극적인 성능을 스크리닝하는 능력은 중요한 새로운 혁신입니다. TRI의 선임 연구원이자 연구 공동 저자인 조셉 몬토야는 "처음으로 촉매를 빠르게 스크리닝할 수 있었을 뿐만 아니라, 규모가 확대된 환경에서도 최상의 성능을 보이는 촉매를 확인했습니다."라고 말했습니다.

장기 시험 결과, 새로운 촉매는 혹독한 산성 환경에서도 1,000시간 이상 높은 효율과 뛰어난 안정성을 유지하며 작동했습니다. 또한 이리듐보다 약 16분의 1 수준으로 획기적으로 저렴합니다.

몬토야는 "이것을 상업적으로 실현 가능하게 만들기 위해서는 해야 할 일이 많지만, 연구실 규모뿐만 아니라 장치에 적용할 수 있는 유망한 촉매를 그렇게 빨리 찾아낼 수 있다는 점이 매우 흥미롭습니다."라고 말했습니다.

단지 시작일 뿐

대규모 고품질 재료 데이터 세트를 생성함으로써, 메가라이브러리 방식은 인공지능(AI)과 머신러닝을 활용하여 차세대 신소재를 설계할 수 있는 토대를 마련합니다. 노스웨스턴 대학교, TRI, 그리고 노스웨스턴 대학교의 분사 기업인 Mattiq은 이미 기록적인 속도로 메가라이브러리를 탐색하는 머신러닝 알고리즘을 개발했습니다.

미르킨은 이것이 시작일 뿐이라고 말합니다. AI를 활용하면 이 접근법은 촉매를 넘어 배터리, 생체 의료 기기, 첨단 광학 부품 등 거의 모든 기술의 소재 개발에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

"배터리, 핵융합 등에 필요한 온갖 재료를 찾아 나설 것입니다."라고 그는 말했다. "세상은 필요에 맞는 최고의 재료를 사용하지 않습니다. 사람들은 주어진 도구를 활용하여 특정 시점에 최고의 재료를 찾아냈습니다. 문제는 이제 그러한 재료를 중심으로 거대한 인프라가 구축되어 있는데도 불구하고, 우리는 그 인프라에 갇혀 있다는 것입니다. 우리는 이러한 상황을 완전히 바꾸고 싶습니다. 이제는 타협 없이 모든 필요에 맞는 최고의 재료를 진정으로 찾아야 할 때입니다."

연구에 관하여

"메가라이브러리를 통한 산소 발생 반응 촉매 발견 속도 가속화"라는 제목의 이 연구는 도요타 연구소, Mattiq, 그리고 미 육군 전투능력개발사령부 육군연구소(수여 번호 W911NF-23-1-0285) 산하 육군연구국(Army Research Office)의 지원을 받았습니다. 본 간행물은 바이오산업 제조 및 설계 생태계(The Bioindustrial Manufacturing and Design Ecosystem, BioMADE)의 지원으로 제작되었습니다. 본 자료에 명시된 내용은 저자의 견해이며 BioMADE의 견해를 반드시 반영하는 것은 아닙니다.

본 문서에 포함된 견해와 결론은 저자의 견해와 결론이며, 공군이나 미국 정부의 공식 정책이나 지지를 명시적이든 묵시적이든 반드시 나타내는 것으로 해석되어서는 안 됩니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250828060040.htm