우리학과 최민기 교수와 김형준 교수(EEWS대학원) 공동연구팀에서 과산화수소와 전기를 동시에 생산할 수 있는 특이 촉매 선택성을 보이는 백금 단일원자 촉매 개발에 성공하였습니다.

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과산화수소와전기를 동시에 생산할 수 있는 단일 원자 백금-탄소 촉매 개발 성공

- 새로운 촉매적 활성을 보이는 단일 원자 크기의 백금 촉매 개발 기술 확보  

카이스트 (KAIST) 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀과 EEWS의 김형준 교수 연구팀은 황 원자를 함유하고 있는 새로운 나노탄소물질을 이용하여 단일 원자 크기의 백금촉매 개발에 성공하였다.

백금이 분산 되어 있는 고체 촉매는 산업계에서 널리 이용되고 있으며, 촉매활성 물질인 고가의 백금을 최대한 효율적으로 활용하기 위하여 백금촉매입자를 보다 작게 합성하려는 연구들이 많이 이루어져 왔다. 하지만 백금을 비롯한 모든 금속은 나노미터 (10^-9 m)이하에서는매우 불안정하기 때문에 이 보다 작은 크기의 촉매 입자를 만드는 것은 쉽지 않다. 이에 궁극적으로 가장작은 구성원소인 단일 원자로 이루어진 백금 촉매 (1/10 나노미터 수준)를 만들기 위해서는 불안정한 백금 원자를 안정화 시켜줄 수 있는 특정 금속산화물과 같은 담지체를 사용하여 백금원자를 지지해야만 한다. 하지만 그렇게 합성된 촉매 조차도 장기 안정성이 떨어지는 경우가 많다. 탄소 소재의 경우에는 안정성과 전기전도성이 높고, 경제적인 이유로전기화학에서 널리 사용되는 담지체로 많은 장점을 지니고 있으나, 금속을 안정화 시키는 능력이 매우 떨어지기때문에 탄소 전극 위에서 단일 원자 촉매를 합성하는 것은 매우 어려운 일로 여겨져 왔다.

본 연구에서 최민기 교수 연구 팀은 금속과 강한 결합을 형성하는 황 원자가 다량 분포된 탄소 나노구조를 합성하였으며, 이 물질에 백금 촉매를 형성시킬 때 매우 선택적으로 단일 원자 형태로 백금을 안정화시킴을 발견하였다. 일반적인 단일 원자 촉매의 경우 불안정성으로 인해 쉽게 구조가 변하는 반면,이번 연구에서 개발된 촉매는 촉매 반응 후 또는 상온에서 1 년 이상이 지난 후에도 여전히대부분의 촉매가 단일 원자로 존재하는 매우 우수한 안정성을 보였다. 이러한 탄소 담지체에 존재하는 단일원자 백금 촉매는 수소와 산소를 이용해 전기를 생산하는 기술인 연료 전지 기술에 적용하였을 때, 전기와함께 일반적인 백금 촉매가 발생시키는 물(H₂O)이 아닌 고부가가치 물질인 과산화수소(H₂O₂)가 95 % 이상의선택도로 발생하는 것을 확인하였다. 또한 김형준 교수의 연구 팀은 양자역학 시뮬레이션을 이용하여 단일원자 백금 촉매가 탄소 담지체 위에서 어떻게 안정화되며, 일반적인 백금 촉매에 비해 단일 원자 백금촉매가 갖는 촉매의 특이한 선택성의 원인을 규명하였다.

해당 연구 결과는 독창성과 우수성을 인정 받아 세계적 저명 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)에 게재되었다. 본 연구는미래창조과학부의 지원 아래 진행되었다.