숙명여자대학교 최경민‧김우열 교수 연구팀은 분자촉매의 효율을 떨어뜨리지 않으면서도 안정성을 높일 수 있는 실마리를 찾아냈다고 합니다. 바로 분자촉매를 새장(birdcage)처럼 케이지 형태로 감싸는 방법이라고 하는데요. 해당 연구 논문은 <Energy & Environmental Science>에 게재됐습니다.
분자 하나하나가 반응하는 분자촉매
촉매(catalyst)는 화학반응이 원활하게 이뤄지도록 돕습니다. 이를 통해 고부가가치 화학제품을 만들 수 있기에 촉매는 '마법사의 지팡이'로 불리죠. 그 중에서 분자촉매는 태양광을 이용해 원하는 화학반응을 촉진하거나 오염물을 분해할 수 있는 물질을 말합니다. 널리 쓰이는 금속촉매와 달리 분자촉매는 작은 분자 하나하나가 반응에 관여합니다. 덕분에 활성이 높아 미래의 촉매로 주목받고 있습니다.
하지만 분자촉매는 불안정한 구조 때문에 반응과정에서 서로 결합하며 다른 화합물로 변하기 쉽습니다. 때문에 안정성이 낮아 활용이 어렵습니다. 이에 분자촉매를 사용할 경우 다른 입자와 결합시켜 안정성을 높이는 방법이 주로 이용됐습니다. 하지만 이 경우 안정성을 얻는 대신 활성이 낮아지는 단점이 있습니다. 이를 극복하기 위해 과학자들은 많은 연구를 진행해 왔습니다.
사면체 케이지 안에 분자를 넣었다
연구진은 각 분자를 개별적으로 보호할 수 있는 분자 보호장비를 개발했습니다. 연구팀은 각 분자촉매를 속이 비어 있는 사면체 케이지 형태 입자에 넣는 방식으로 안정성과 활성을 모두 잡았다고 하는데요. 실제로 연구팀은 광촉매 분자의 활성과 안정성을 모두 향상시켰습니다. 각각의 케이지는 용액 중에서 분산된 형태로 존재합니다. 때문에 안에 든 분자촉매가 서로 만나지 못하게 하죠. 이로써 분자촉매는 본래 활성을 유지하면서 안정성도 잃지 않는다고 합니다.
- 광촉매?
빛을 받아 화학반응을 촉진시키는 촉매를 말합니다.
구체적으로 알아볼까요? 연구팀의 케이지는 약 1.5 나노미터(㎚) 크기인 금속유기-단위입자로 구성됩니다. 여기서 금속유기-단위입자(metal-organic polyhedra)란 선택된 방향으로만 결합할 수 있는 금속산화물과 유기링커의 결합으로 아루어진 1~2nm 정도의 나노입자를 말하는데요.
연구팀은 케이지 안에 분자촉매를 하나씩 결합했습니다. 이를 통해 연구팀은 각 촉매분자들이 떨어져 있도록 유도했죠. 덕분에 연구팀은 촉매분자들이 다른 화합물로 변하는 현상을 방지했다고 합니다.
연구팀은 실제 24시간 동안 케이지 안에 담긴 광촉매의 반응활성을 측정했는데요. 측정 결과, 광촉매의 반응성능이 42배 이상 증가했습니다. 뿐만 아니라 단위시간당 활성도 일정하게 유지됐죠. 연구팀이 개발한 기술은 향후 오염물 분해반응, 유기합성, 전기화학반응 등 다양한 반응에서 촉매의 활성과 안정성을 높이는 데 실마리가 될 것으로 기대됩니다.
연구팀은 "본 연구를 통해 1~2 nm 크기의 개별 단위입자로 이루어진 금속유기-나노입자가 금속유기구조체의 단점을 극복하고 분자촉매의 높은 효율을 유지하면서 안정성을 향상시켜줄 새로운 대안으로 확인됐다"며 "금속유기-단위입자를 템플릿으로 활용해 다양한 분자촉매들을 결합함으로써 광촉매-단위입자, 전기촉매-단위입자, 유기촉매-단위입자로 확장시켜 광촉매 반응, 오염물 분해반응, 유기합성반응, 전기화학반응 등의 다양한 분야에 적용시키고자 한다"고 말했습니다.
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