국내 연구진이 금속-산화물 계면에서의 촉매 화학 반응 과정 메커니즘을 직접 밝히고, 핫전자(화학 에너지 전환과정에서 에너지가 올라간 생태의 전자)가 촉매 선택도를 향상시키는 결정적인 요소임을 입증했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 박정영 화학과 교수(기초과학연구원 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장), 정연식 신소재공학과 교수, 정유성 생명화학공학과 교수팀이 차세대 고성능 촉매 설계에 활용할 수 있는 반응성 향상 원리 기틀을 마련했다고 8일 밝혔다.
에너지 사용량 절감과 친환경 화학 공정 개발을 이루려면 고효율 촉매 소재 개발은 필수적이다. 원하는 생성물에 대해 높은 선택성을 가진 재료를 설계하는 것이 특히 중요하다.
공동연구팀은 백금 나노선을 티타늄 산화물에 접합시켜 '금속 나노선-산화물 계면'이 정밀하게 제어되는 신개념의 촉매를 개발했다. 나아가 금속 나노선-산화물 계면 기반의 '핫전자 촉매소자'를 활용해 실시간으로 핫전자 이동을 관찰했다. 연구진은 금속-산화물 계면이 형성되면 메틸 포르메이트 생성효율이 향상되는 동시에 이산화탄소 생성이 감소하는 점을 관찰했다. 이 높은 선택도는 핫전자의 생성과 연관이 있음을 규명했다.
또한 연구진은 계면에서의 증가된 촉매 성능을 이론적으로도 입증했다. 연구진은 금속 나노선-산화물 계면에서의 증폭된 촉매 선택도가 계면에서의 완전히 다른 촉매 반응 메커니즘에서 기인하는 것임을 양자역학 모델링 계산 결과 비교를 통해 증명했다.
박정영 교수는 “핫전자와 금속 나노선-산화물 계면을 이용해 온실가스인 이산화탄소의 생성을 줄이고 고부가 가치 화학연료의 생성을 증대시킬 수 있다”며 “촉매의 선택도를 핫전자와 금속-산화물 계면을 통해서 제어할 수 있다는 개념은 에너지 전환 및 차세대 촉매 개발에 이용될 수 있고 지구온난화의 주원인인 온실가스의 저감 등의 응용성을 가질 거라고 예상된다”고 말했다.
나노선과 산화물 접합 연구를 주도한 신소재공학과 정연식 교수는 “기존의 촉매 소자 시스템에서는 기술적으로 어려웠던 금속-산화물 계면에서의 핫전자 검출을 아주 정밀한 나노선 프린팅 기술로 인해 가능하게 만든 연구며, 이 기술은 향후 다양한 차세대 하이브리드 촉매 개발에 활용할 수 있으리라 기대된다”고 말했다.
이론적인 계산으로 계면과 촉매 선택도 간 관계 입증을 주도한 생명화학공학과 정유성 교수 역시 “촉매 화학 반응에서의 선택도를 높이기 위해 금속-산화물 계면이 중요한 역할을 할 수 있음을 실험적 관찰과 이론적인 양자 계산을 통해 증명한 연구로, 불균일 촉매를 이용한 화학 공정 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 언급했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
