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'촉매의 왕' 백금 단일원자 촉매 전기화학 반응 성공

송고시간2016-01-27 11:31

KAIST 이현주·연세대 알로이시우스 순 교수 연구팀 성과

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = '촉매의 왕'이라고 불리는 백금을 더 효율적으로 활용할 수 있는 연구 성과가 나왔다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 이현주 교수 연구팀이 불균일계 백금 단일원자 촉매를 전기화학 반응에 성공적으로 적용했다고 27일 밝혔다.

연구는 연세대 알로이시우스 순(Aloysius Soon) 교수팀과의 공동으로 진행됐다.

반지나 귀걸이 등 장신구 소재로 널리 쓰이는 백금은 공기 중에서 쉽게 부식되지 않고 단단한 성질이 있다. 다양한 분야의 촉매 물질로 활용돼 '촉매의 왕'이라고도 불린다.

백금 촉매의 가격을 낮추기 위해선 백금 입자의 크기를 줄여 화학 반응하는 표면적을 넓히는 게 관건이다. 큰 얼음 덩어리보다 잘게 간 얼음이 빨리 녹는 원리와 같다.

현재 기술력으로 만들 수 있는 가장 작은 크기의 입자는 2㎚(나노미터·10억분의 1m) 정도인데, 이보다 더 작아지면 안정성이 떨어지는 단점이 있다.

'촉매의 왕' 백금 단일원자 촉매 전기화학 반응 성공 - 2

이 때문에 백금 나노입자에서 더 발전된 불균일계 백금 단일원자 촉매 개발이 활발하다. 백금 단일원자 촉매는 각각의 백금 원자가 따로 떨어져 있는 형태로, 모든 원자가 반응에 참여할 수 있는 이상적인 시스템이라고 KAIST는 설명했다.

단일원자 촉매의 합성·분석에 대한 연구가 시작됐지만, 전기 화학 반응에 적용한 사례는 없었다. 전기화학 반응은 연료전지·배터리·화학물질 생산 등에 널리 이용된다.

특히 연료전지에서 백금 사용량이 많기 때문에 백금 단일원자 촉매를 전기화학 반응에 적용시키는 건 미래 에너지 생태계의 주요 과제다.

순 교수 연구팀은 '밀도범함수 이론(Density functional theory)' 계산을 통해 전도성을 가진 질화 티타늄의 결함 자리에 백금 단일원자가 존재할 수 있음을 이론적으로 증명했다.

이 교수 연구팀은 순 교수 연구를 토대로 전도성이 있는 질화 티타늄 나노입자 위에 백금 단일원자 촉매를 만들었다.

이 백금 단일원자 촉매는 기존의 백금 나노입자보다 좋은 반응성과 선택성을 나타냈다고 연구팀은 전했다.

이현주 교수는 "유기물질 산화반응에서도 백금 단일원자는 나노입자와 다른 반응을 보였다"며 "단일원자 촉매군을 이용하면 기존에는 불가능했던 높은 반응성과 선택성을 구현할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

KAIST 응용과학연구소 양성은 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구의 논문은 화학분야 권위지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)' 2015년 12월 28일자 온라인 판에 실렸다. 그 중요성을 인정받아 '핫 페이퍼(Hot Paper)'로도 선정됐다.

walden@yna.co.kr

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