국내 연구진, 합금 촉매 반응성 높일 원리 규명

연료전지 반응, 탄소계열 공업화학 반응 연구에 활용

금속-산화물 계면 나노구조에 숨어 있던 열쇠 발견해

KAIST 박정영 정유성-GIST 문봉진 교수 연구진 성과

[이데일리 이재운 기자] 합금 촉매가 보다 잘 반응할 수 있게 해주는 반응 원리를 국내 연구진이 규명해냈다. 차세대 고성능 촉매를 개발하는데 필요한 중요한 기반을 확보했다는 평가다.

14일 KAIST EEWS대학원 박정영, 정유성 교수 연구팀과 GIST 물리·광과학과 문봉진 교수 연구팀은 합금 촉매 표면에서 벌어지는 화학 반응 과정을 실시간으로 관찰해 합금 촉매의 반응성 향상과 직결된 반응 원리를 규명했다고 밝혔다.

합금 촉매는 단일 금속이나 금속 산화물 촉매에 비해 뛰어난 성능을 보여 연료전지 반응이나 탄소계열 공업화학반응 등에 이용되고 있다. 하지만 합금 촉매 반응의 결과에 대한 근본 원리가 자세히 밝혀지지 않아 촉매 연구 과정에서 발생하는 예상치 못한 결과를 설명하기 어려웠다.

연구팀은 문제 해결을 위해 기존의 표면 직접 관찰 기기의 한계점을 크게 개선한 ‘상압 주사 터널링 전자 현미경’과 ‘상압 X-선 광전자분광기’를 활용해 백금-니켈 합금 촉매 표면의 역동적인 변화 과정을 관찰했다.

이를 통해 실제 반응 환경에서 백금-니켈 합금 촉매의 반응성이 향상되는 이유가 금속-산화물 계면 나노구조의 표면 형성에서 시작한다는 점을 발견했다.

또 일산화탄소 산화반응 과정에서 백금이나 니켈 산화물 중 하나만 사용한 단일 촉매에 비해, 활성화 에너지가 낮은 금속-산화물 계면 나노구조가 반응성 향상에 보다 유리한 화학 반응 경로를 제시할 수 있다는 점도 확인했다.

이 결과는 밀도범함수 이론을 바탕으로 한 양자역학 모델링 계산 결과를 통해 입증한 것이다.

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

연구 결과를 담은 논문은 종합 과학 분야 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 13일자(현지시간) 온라인판에 ‘백금-니켈 합금 표면위의 촉매 활성도가 높은 금속-산화물 경계 나노구조물 형성의 실시간 관찰(Adsorbate-driven reactive interfacial Pt-NiO1-x nanostructure formation on the Pt3Ni(111) alloy surface)’이라는 제목으로 게재됐다.