KAIST, 합금 촉매 화학반응 실시간 관찰 성공

주사 터널링 전자 현미경을 이용한 백금-니켈 촉매 표면의 실시간 표면 직접 관찰 이미지(KAIST 제공)© News1

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 = 한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 EEWS 대학원 박정영, 정유성 교수 연구팀이 합금 촉매 표면에서 벌어지는 화학 반응 과정을 실시간으로 관찰해 합금 촉매의 반응성 향상과 직결된 반응 원리를 규명했다고 14일 밝혔다.

합금 촉매는 단일 금속 또는 금속 산화물 촉매에 비해 뛰어난 성능을 보여 연료전지반응이나 탄소계열 공업 화학반응 등에 이용되고 있다.

하지만 합금 촉매 반응의 결과에 대한 근본적인 원리는 자세히 밝혀지지 않아 촉매 연구 과정에서 발생하는 예상치 못한 결과를 설명하기 어려웠다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존 표면 직접 관찰 기기의 한계점을 크게 개선한 ‘상압 주사 터널링 전자 현미경’과 ‘상압 X-선 광전자분광기’를 활용, 백금-니켈 합금 촉매 표면의 역동적인 변화 과정을 관찰했다.

이를 통해 연구팀은 실제 반응 환경에서 백금-니켈 합금 촉매의 반응성 향상 이유가 금속-산화물 계면 나노구조의 표면 형성으로부터 시작된다는 것을 밝혀냈다.

또 일산화탄소 산화반응 과정에서 백금 혹은 니켈 산화물 단일 촉매에 비해 금속-산화물 계면 나노 구조가 갖는 비교적 낮은 활성화 에너지는 촉매 반응 원리 상 반응성 향상에 보다 유리한 화학 반응 경로를 제시할 수 있음을 확인했다.

이러한 결과는 밀도범함수 이론을 바탕으로 한 양자역학 모델링 계산 결과를 통해 입증됐다.

박정영 교수는 “초고진공 환경을 기반으로 한 기존의 표면 과학이 풀지 못한 실제 반응 환경에서의 합금 촉매 반응 과정을 직접 관찰한 첫 연구사례”라며 “합금 촉매의 계면이 촉매 향상도를 높일 수 있고, 현재 진행 중인 촉매전자학 연구와도 밀접한 관계를 가지고 있어 앞으로 다양한 종류의 실제 반응 환경에 근접한 촉매 표면 반응을 연구할 계획”이라고 밝혔다.

정유성 교수는 “직접 관찰과 양자 계산을 통해 합금 촉매의 주된 활성 자리가 계면임을 규명한 연구"라며 "다양한 합금 촉매의 설계 및 최적화에 중요한 단서가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 기초과학연구원 및 한국연구재단, GIST(광주과학기술원) 등의 지원으로 수행됐다.

광주과학기술원(GIST·총장 문승현) 물리광과학과 문봉진 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구 결과는 종합 과학 분야 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 지난 13일자 온라인 판에 게재됐다.
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