이태경(왼쪽부터) KAIST 박사과정, 박지민 교수, 오상연 박사과정.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 수소 및 글리세롤 생산 효율을 높일 수 있는 새로운 촉매 플랫폼을 개발했다.

KAIST는 생명화학공학과 박지민 교수 연구팀이 금 나노입자 촉매 표면에 ‘단일가닥 DNA(한 줄로 이뤄진 유연한 DNA 분자)’를 입혀 촉매 주변의 미세한 화학 환경을 정밀하게 제어하는 원천기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

수소 생산이나 친환경 화학제품 제조에 활용되는 전기화학 반응에서는 촉매 자체뿐 아니라 촉매 주변의 산도(pH)와 이온 분포 같은 국소 반응 환경(촉매 바로 주변에서 형성되는 미세한 화학 환경)이 성능을 좌우한다. 하지만 기존에는 특수 고분자 코팅재를 활용 이를 조절해 왔으며, 나노미터 수준에서 내부 구조를 정밀하게 설계하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이같은 문제를 해결하기 위해 ‘단일가닥 DNA’에 주목했다. DNA는 음전하를 띠고 있어 주변 이온(전하를 띠는 원자나 분자)의 이동에 영향을 줄 수 있으며, 길이와 염기서열을 자유롭게 설계할 수 있다는 장점이 있다. 특히 염기서열을 바꾸면 DNA 내부의 네트워크 구조를 정밀하게 조절할 수 있어 촉매 표면에 맞춤형 나노 코팅층을 구현할 수 있다.

DNA 촉매 성능 개선 모식도.(AI 생셩 이미지).[KAIST 제공]

연구팀은 금 나노입자 표면에 다양한 염기서열의 DNA를 결합한 뒤 전기화학 반응을 분석했다. 그 결과 촉매 성능을 결정하는 핵심 요소가 단순한 코팅층의 두께가 아니라 DNA 염기서열에 따라 형성되는 내부 네트워크 구조라는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 이 기술을 수소 발생 반응과 글리세롤 산화 반응에 적용했다. 그 결과 DNA 염기서열에 따라 수소 생산 효율이 크게 달라졌으며, 화장품·의약품 원료로 활용되는 글리세르산의 생성 선택도 또한 향상됐다. 이는 복잡한 촉매 구조를 새로 만들지 않고도 DNA 서열만 조정해 원하는 반응 결과를 얻을 수 있음을 의미한다.

박지민 교수는 “이 기술은 기존 촉매를 완전히 새로 개발하는 방식이 아니라, 촉매 표면에 매우 얇은 DNA 기반 코팅층을 도입해 반응 계면 환경을 조절하는 표면개질 기술로 활용될 수 있다”면서 “향후 수소 생산과 바이오매스 전환 등 탄소중립 기술 전반에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 5월 5일 게재됐다.