일본 지바 대학의 연구가 물에서 대규모 수소 생산의 돌파구를 마련했다. 과학자들은 백금 음극을 카페인, 테오필린 같은 천연 퓨린 염기로 개질하면 수소 발생 반응(HER) 활성이 4배 이상 증가하고, 전해조의 백금 사용량을 크게 줄여 친환경 수소 비용 절감에 기여한다는 사실을 발견했다.
현재 물 수소 생산은 높은 전해조 비용으로 경제적 어려움을 겪고 있으며, 2024년 kW당 가격은 2,000~2,600달러에 달한다. 미국 에너지부(DOE)는 친환경 수소 비용을 2025년까지 kg당 2달러, 2030년까지 1달러로 낮추는 목표를 세웠다. 지바 대학 공학연구원의 다나카 켄스케 박사와 나카무라 마사시 교수가 이끈 이 연구는 2025년 9월 4일 온라인으로 게재되었고, 9월 26일 국제 수소 에너지 저널 172권에 실렸다.
기술적 원리는 이렇다. 전기분해 중 수소 이온(H⁺)이 먼저 촉매에 흡착되어야 하며, 알칼리 매질에서는 촉매가 물의 O–H 결합을 끊어야 해 에너지 소비가 증가한다. 그러나 퓨린 유도체(카페인, 잔틴, 퓨린, 테오필린, 테오브로민 등)는 수소 흡착을 촉진하고 알칼리 조건에서도 반응을 가속한다. 그중 퓨린과 테오필린은 HER 활성을 각각 4.2배, 5배 높였다. 구조 분석 결과, 퓨린 분자는 주변 물과 새장 같은 수소 결합 네트워크를 형성해 OH⁻ 제거를 돕고 HER의 에너지 장벽을 낮추는 것으로 나타났다.
나카무라 마사시 교수는 백금의 희소성이 수전해 및 연료 전지 기술의 확장성을 제한한다며, 백금 사용량 감축이 핵심이라고 지적했다. 이 방법은 자연에 풍부한 물질을 사용해 확장성과 환경 보호를 결합함으로써 수소 생산 비용을 낮추고 수소 생산 시스템의 에너지 변환 효율을 개선할 수 있다. 재생 에너지 기반 수전해를 통한 탄소 중립 달성에도 중요한 의미를 지닌다.
