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합금 나노 촉매성능 좌우하는 키워드 '경계면'

송고시간2018-06-08 18:00

IBS·KAIST 공동 연구진, 핫 전자 정밀 관측 성공


IBS·KAIST 공동 연구진, 핫 전자 정밀 관측 성공

왼쪽부터 IBS 박정영 부연구단장(교신저자), 정유성 KAIST EEWS 대학원 교수(공동 교신저자), 이효선 연구위원(제1저자) [IBS 제공=연합뉴스]

왼쪽부터 IBS 박정영 부연구단장(교신저자), 정유성 KAIST EEWS 대학원 교수(공동 교신저자), 이효선 연구위원(제1저자) [IBS 제공=연합뉴스]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 국내 연구진이 그간 베일에 싸였던 합금 나노입자 촉매 반응 현상에 대한 메커니즘을 규명했다.

기초과학연구원(IBS)은 박정영 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장 연구팀이 정유성 한국과학기술원(KAIST) 교수팀과 공동연구를 통해 금속-산화물 계면이 촉매성능을 높이는 중요한 요소라는 것을 확인했다고 8일 밝혔다.

고효율의 합금 나노입자는 석유화학 공정, 수소 연료 전지, 물 분해 등 분야에서 친환경 촉매로 주목받고 있다.

화학적 조성에 따라 촉매 표면 전자 구조와 결합 에너지를 제어할 수 있어서 활용성이 크다.

그러나 실제 촉매 환경에선 반응물과 조건에 따라 나노입자 표면 구조가 쉽게 달라져 반응 메커니즘을 살피기 쉽지 않았다.

백금-코발트 합성 비율에 따른 핫 전자 검출 효율. '백금 75%+코발트 25%' 비율에서 핫 전자 검출 효율이 가장 높다. [IBS 제공=연합뉴스]

백금-코발트 합성 비율에 따른 핫 전자 검출 효율. '백금 75%+코발트 25%' 비율에서 핫 전자 검출 효율이 가장 높다. [IBS 제공=연합뉴스]

촉매 반응 메커니즘을 결정하는 핵심 요소는 핫 전자(Hot electron)다.

핫 전자는 외부 에너지가 촉매 등 물질 표면에 전달될 때 에너지 전환과정에 따라 1~3전자볼트의 에너지를 가지며 들뜨는(여기된) 전자다.

촉매 활성도가 증가하면 핫 전자량도 늘어난다.

앞서 지난 2015년 박정영 부연구단장 연구진은 핫 전자를 관찰할 수 있는 촉매 센서를 개발했다.

왼쪽은 실시간 투과전자현미경을 이용해 실제 산화 반응 시 백금-코발트 합금 나노입자 촉매 표면에 형성된 코발트 산화물을 관찰한 모습이다. 오른쪽은 금속-산화물(백금 코발트 산화물) 계면에서의 수소 산화 반응 메커니즘을 모형으로 보여주고 있다. [IBS 제공=연합뉴스]

왼쪽은 실시간 투과전자현미경을 이용해 실제 산화 반응 시 백금-코발트 합금 나노입자 촉매 표면에 형성된 코발트 산화물을 관찰한 모습이다. 오른쪽은 금속-산화물(백금 코발트 산화물) 계면에서의 수소 산화 반응 메커니즘을 모형으로 보여주고 있다. [IBS 제공=연합뉴스]

이번에는 백금-코발트 합금 나노입자를 핫 전자 촉매 센서에 접목하는 방식으로 연구를 설계했다.

백금-코발트 합금 나노입자는 화학 산업 및 에너지·환경 분야에 중요한 촉매 구성요소다.

연구진은 여러 비율로 백금과 코발트를 합성해 합금 나노 촉매들을 제작하고 핫 전자 촉매 센서를 적용했다.

그 결과 '백금 75%+코발트 25%' 비율에서 가장 많은 핫 전자가 발생했다.

그림 (a)는 합금 나노입자와 금-타이타니아로 만들어진 핫 전자 촉매 센서 모식도와 단면을 보여준다. 그래프 (b)는 핫 전자 촉매 센서 검출 원리를 설명한다. [IBS 제공=연합뉴스]

그림 (a)는 합금 나노입자와 금-타이타니아로 만들어진 핫 전자 촉매 센서 모식도와 단면을 보여준다. 그래프 (b)는 핫 전자 촉매 센서 검출 원리를 설명한다. [IBS 제공=연합뉴스]

핫 전자 발생량과 촉매성능 상관관계를 명확히 밝히고자 실시간 투과전자현미경으로 관찰했더니 한 층의 코발트 산화물이 백금-코발트 합금 나노입자 표면 위에 형성되면서 금속-산화물 계면이 만들어졌다.

금속-산화물 계면에서 전하 이동이 늘어나면서 핫 전자 검출 효율이 향상한 것이다.

바꿔 말하면 합금 나노 촉매성능은 금속-산화물 계면에 달렸다는 뜻이다.

밀도범함수를 통해 입증한 합금 나노 촉매의 반응 효율성 [IBS 제공=연합뉴스]

밀도범함수를 통해 입증한 합금 나노 촉매의 반응 효율성 [IBS 제공=연합뉴스]

정유성 교수 연구진은 밀도범함수이론 기반 양자계산을 통해 이 메커니즘을 이론적으로 뒷받침했다.

박 부연구단장은 "합금 나노 촉매 반응 중 자연스럽게 형성하는 두 물질 사이 계면이 촉매 반응성과 핫 전자 생성을 증폭한다"며 "고효율의 차세대 촉매 물질을 개발하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

성과를 담은 논문은 한국 시각 이날 오후 6시 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications) 온라인판에 실렸다.

walden@yna.co.kr

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