합금 나노 촉매 성능, 계면이 핵심
합금 나노 촉매 성능, 계면이 핵심
  • 송승현
  • 승인 2018.06.08 13:43
  • 조회수 1268
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기초과학연구원의 나노 물질 및 화학 반응 연구단 박정영 부연구단장 연구팀이 그동안 베일에 가려 있던 합금 나노 입자의 촉매 반응 현상에 대한 매커니즘을 밝혀냈습니다. IBS 연구진은 KAIST 정유성 교수팀과 공동 연구를 통해 합금 나노 촉매 표면에 형성된 금속-산화물 계면이 촉매 성능을 향상시키는 중요한 요소임을 확인했대요.

 

합금 나노입자는 높은 효율의 촉매 활성도를 가져 석유화학 공정뿐만 아니라 수소 연료 전지, 물 분해 등 친환경 촉매로 주목받고 있습니다. 또 화학적 조성에 따라 촉매 표면의 전자 구조 및 결합 에너지를 제어할 수 있어 활용성이 크죠.

 

그러나 실제 촉매 환경에서는 반응물과 조건에 따라 나노 입자 표면 구조가 쉽게 달라져 이런 우수한 특성에도 불구하고 합금 나노 촉매의 반응 매커니즘을 규명하는데 어려웠습니다.

 

촉매 반응의 매커니즘을 결정하는 핵심 요소는 '핫전자'입니다. 화학반응이 일어날 때 촉매 표면에 순간적으로(펨토초, 1천조분의 1초) 발생하고 사라지지만 이를 통해 촉매 반응의 활성도를 파악할 수 있습니다. 촉매 활성도가 증가하면 핫전자 양도 늘어나기 때문이죠. 실시간으로 핫전자를 직접 검출할 수 있는 방법이 마땅히 없던 중 2015년 박정영 부연구단장 연구진이 핫전자를 관찰할 수 있는 핫전자 촉매센서를 개발했습니다. 이후 박 부연구단장은 핫전자 촉매센서를 중심으로 활발한 연구를 통해 다양한 결과를 내고 있었죠.

 

이번 연구에서는 백금과 코발트가 합금된 나노 입자를 핫전자 촉매센서에 접목하는 방식으로 연구를 설계했습니다. 백금-코발트 합금 나노 입자는 화학산업 및 에너지·환경 분야에 중요한 촉매 구성 요소입니다. 이처럼 복잡한 구조를 가진 나노 촉매 구조에 핫전자 촉매 센서를 적용해 실시간으로 핫전자를 관찰하는 것이 이번 실험의 관건이었습니다.

 

나노 촉매 계면에서의 핫전자 움직임 실시간 관찰. 출처: 기초과학연구원

먼저 연구진은 여러 비율로 백금과 코발트를 합성해 합금 나노 촉매들을 제작하고 핫전자 촉매 센서를 적용했습니다. 그 결과, 75% 백금과 25% 코발트 비율로 합금 나노입자를 합성할 경우, 가장 많은 핫전자가 발생하고 촉매 성능이 높다는 것을 확인했죠. 이후 핫전자 발생량과 촉매 성능의 상관관계를 명확히 밝히기 위해 실시간 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy)으로 실험 과정을 관찰했대요.

 

핫전자 촉매 센서를 이용한 합금 나노 입자에서의 핫전자 움직임. 출처: 기초과학연구원

흥미롭게도 수소산화 반응에 합금 나노촉매를 적용하자 한 층의 코발트 산화물이 백금-코발트 합금 나노 입자 표면 위에 형성되면서 금속-산화물(백금-코발트 산화물)계면이 만들어졌습니다. 금속-산화물 계면에서 전하 이동이 늘어나면서 핫전자 검출 효율이 증가한 거죠. 다시 말해 금속-산화물 계면이 합금 나노 촉매의 활성을 높이는 데 결정적임을 실제로 입증한 것입니다.

 

백금-코발트 합성 비율에 따른 핫전자 검출 효율. 출처: 기초과학연구원

이번 연구는 실험뿐 아니라 이론적으로도 계면과 촉매 성능 간 상관 관계를 입증했습니다. 정유성 교수 연구진은 밀도범함수이론(Density Functional Theory) 기반의 양자계산을 통해 백금-코발트 산화물 계면에서 낮은 활성화 에너지로 일어나는 반응 메커니즘을 이론적으로 뒷받침해 핫전자 발생 및 촉매 성능에 대한 근원적인 해석을 제안했습니다. 정 교수는 "이번 결과는 촉매 연구자들이 금속-산화물 계면의 중요성을 다시 주목하게 되는 계기가 될 것"이라고 말했어요.

 

밀도범함수를 통해 입증한 합금 나노촉매의 반응 효율성. 출처: 기초과학연구원

박 부연구단장은 "이번 연구로 합금 나노 촉매의 반응 중 자연스럽게 형성되는 두 물질 사이의 계면이 촉매 반응성과 핫전자의 생성을 증폭시킨다는 점을 규명했다"며 "실제 촉매반응이 일어나는 상압과 고온 환경에서 얻어진 결과를 토대로 향후 고효율의 차세대 촉매물질을 개발하는데 연구 결과를 응용할 수 있다"고 전망했습니다. 이번 연구 결과는 종합 과학 분야의 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션<Nature Communications> 온라인판에 게재됐습니다.



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