〈 이 현 주 교수 〉                        〈 양 성 은 박사 〉
 

우리 대학 생명화학공학과 이현주 교수 연구팀이 불균일계 백금 단일원자 촉매를 전기화학 반응에 적용시키는 데 성공했다.

연구 결과는 화학분야 권위지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 작년 12월 28일자 온라인 판에 게재됐고, 그 중요성을 인정받아 핫 페이퍼(Hot Paper)로 선정됐다.

이번 연구는 연세대학교 알로이시우스 순(Aloysius Soon) 교수팀과의 공동 연구를 통해 진행됐다.

백금은 공기 중 쉽게 부식되지 않고 단단하기 때문에 반지, 귀걸이 등의 장신구로 널리 사용된다. 특히 다양한 분야의 촉매 물질로 활용돼 촉매의 왕이라고 불리며 각종 신재생 에너지 분야에서도 활용도가 높아 그 중요성이 점점 커지고 있다.

백금 촉매의 가격을 낮추기 위해선 백금 입자의 크기를 나노미터 단위로 줄여, 화학 반응에 참여하는 표면적을 최대한 넓히는 것이 중요하다.

큰 얼음 덩어리보다 잘게 간 얼음이 빨리 녹고, 사탕을 씹어 먹으면 더 빨리 녹는 것과 비슷한 원리이다. 현재 기술력으로 가장 작게 제작할 수 있는 백금 나노입자는 2 나노미터(nm) 정도이고 이보다 더 작아지면 백금 나노입자의 안정성이 떨어진다.

최근에는 백금 나노입자에서 더 발전된 백금 단일원자 촉매의 개발이 활발하게 이뤄지고 있다. 백금 단일원자 촉매는 각각의 백금 원자가 따로 떨어져 있는 촉매로서, 모든 원자가 반응에 참여할 수 있는 이상적인 촉매 시스템이다.

나노과학 기술과 분석기법 성능이 발전하면서 단일원자 촉매의 합성과 분석 등에 대한 연구가 시작됐지만, 단일원자 촉매를 전기 화학 반응에 적용한 사례는 없었다.

전기화학은 신재생에너지의 생산, 보관 및 전환에 필수적인 분야로, 전기화학 반응은 연료전지, 배터리, 화학물질 생산 등에 널리 이용된다.

특히 연료전지의 산화전극, 환원전극에서 백금의 사용량이 많기 때문에 백금 단일원자 촉매를 전기화학 반응에 적용시키는 것은 미래 에너지 생태계의 주요 과제이다.

순 교수 연구팀은 2012년 밀도범함수 이론(Density functional theory) 계산을 통해 전도성을 가진 질화 티타늄에 존재하는 결함자리에 백금 단일원자가 존재할 수 있음을 이론적으로 증명했다. 2013년에는 백금 단일원자가 기존 촉매와는 전혀 다른 특성을 보일 것으로 예측했다.

이 교수 연구팀은 순 교수 연구팀의 시뮬레이션 결과를 토대로 클로린 리간드를 통해 전도성이 있는 질화 티타늄 나노입자 위에 백금 단일원자 촉매를 만드는 데 성공했다.

백금 단일원자 촉매는 백금 나노입자와 전혀 다른 반응성 및 선택성을 나타냈다. 과산화수소 생성 반응에서 기존의 최고 성능보다 약 3배 향상된 질량당 반응성, 65%의 높은 선택도를 보였다.

유기물질의 산화반응에서도 백금 단일원자는 나노입자와 다른 반응을 보였다. 포름산 산화반응, 메탄올 산화반응에서도 백금 나노입자는 탈수화 반응을 보이는 데 반해, 백금 단일원자는 탈 수소화 반응을 보였다.

이 교수는 “단일원자 촉매는 기존의 촉매 시스템과 전혀 다른 특성을 가지며 산업적으로 다양한 반응에 이용 가능하다”며 “단일원자 촉매군을 이용하면 기존의 불균일계 촉매군으로는 불가능했던 높은 반응성과 선택성을 구현할 수 있을 것이다”고 말했다.

양성은 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프런티어 멀티스케일 에너지 연구단 및 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

□ 그림 설명

그림1. STEM 단일원자 그림

그림2. 선택도 그래프

그림3. 단일원자 촉매의 및 기존 나노입자 촉매의 모식도