안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
백금이 촉매로 사용되는 가장 대표적인 반응은 수소연료전지 내부에서 일어나는 수소 산화 반응입니다. 이 반응은 수소 기체가 전자를 내어놓고 수소 이온으로 분해되면서 전기를 만들어내는 과정입니다. 원래 수소 분자는 두 개의 수소 원자가 매우 단단하게 결합해 있어 스스로 잘 깨지지 않는데, 백금이 이 결합을 쉽게 깨뜨려 반응을 촉진합니다.
이 과정에서 백금은 반응의 징검다리 역할을 합니다. 수소 분자가 백금 표면에 접근하면 백금 원자가 이를 적당한 힘으로 붙잡아 흡착합니다. 이때 백금과 수소 전자 사이의 상호작용으로 인해 단단했던 수소 고유의 결합력이 약해지며 두 개의 원자로 자연스럽게 쪼개집니다. 분해된 수소 원자는 백금 표면에 전자를 내어주어 수소 이온이 된 후 표면에서 떨어져 나갑니다. 이때 분리된 전자가 회로를 흐르며 전기가 발생하게 되며, 백금 자체는 이 과정에서 전혀 소모되지 않고 원래 상태를 유지합니다.
철이나 니켈 같은 값싼 금속 대신 비싼 백금을 쓰는 이유는 흡착력의 균형이 완벽하기 때문입니다. 금이나 은은 수소를 붙잡는 힘이 너무 약해 반응을 일으키지 못하고, 텅스텐 같은 금속은 수소를 너무 꽉 붙잡아 반응이 끝난 후에도 놓아주지 않아 촉매 표면을 마비시킵니다. 반면 백금은 분자를 깨뜨릴 만큼만 강하게 잡고, 반응 후에는 쉽게 놓아주는 최적의 밀고 당기기 능력을 갖추고 있습니다. 또한 수소연료전지 내부의 강한 산성과 고온이라는 가혹한 환경에서도 녹거나 변질되지 않고 버텨내는 독보적인 화학적 안정성을 가졌기 때문에 대체 불가능한 촉매로 선택됩니다.