'결함’ 많은 물질이 좋은 촉매되는 이유
'결함’ 많은 물질이 좋은 촉매되는 이유
  • 함예솔
  • 승인 2020.04.27 15:15
  • 조회수 631
  • 댓글 0
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요약

 

결함이 많은 물질이 좋은 촉매가 되는 이유를 찾았습니다. 촉매 속 산소 빈자리(oxygen vacancy)가 전이금속 구조를 바꿔 화학 반응이 더 잘 일어나도록 돕는다는 내용입니다. 이 연구는 산소 빈자리의 역할과 효과를 정확하게 규명한 연구로, 향후 우수한 촉매 개발의 길라잡이가 될 전망입니다.

물건은 대부분 빈자리 없이 매끈한 게 좋지만 연료전지나 물의 전기분해 등의 화학 반응을 돕는 '촉매'는 반대입니다. 촉매 속 '산소 원자'가 빠진 자리가 많을수록 성능이 좋기 때문입니다. 최근 이 현상의 정확한 원리가 밝혀져 우수한 촉매 개발의 길라잡이가 될 전망입니다.

촉매 속 산소 빈자리가 많을 수록 성능 좋아진다. 출처: AdobeStock
촉매 속 산소 빈자리가 많을 수록 성능 좋아진다. 출처: AdobeStock

UNIST 에너지 및 화학공학부의 김건태·이준희 교수팀은 후기전이금속(late transition metal)을 이용해 고성능 '페로브스카이트 산화물 촉매'를 만들고 성능이 높아진 원리를 찾아냈습니다. 촉매 속 산소 빈자리(oxygen vacancy)가 전이금속 구조를 바꿔 화학 반응이 더 잘 일어나도록 돕는다는 내용입니다. 페로브스카이트 산화물 촉매에서 산소 빈자리의 역할과 효과를 정확하게 규명한 연구로 주목받고 있습니다. 해당 연구는 <ACS catalysis>에 게재됐습니다.

  • 후기전이금속(late transition metal)

전이금속은 주기율표의 d-구역 원소를 말하며 3족에서 12족 원소가 모두 포함됩니다. 후기전이금속은 8~12족에 속하는 전이금속을 따로 이르는 말입니다.

  • 산소 빈자리(oxygen vacancy)

페로브스카이트 산화물을 합성한 결과 물질 속에 남아 있는 산소 원자의 빈자리를 뜻합니다. 물질 차원에서는 결함이지만 촉매 활성을 높이는 역할을 합니다.

페로브스카이트 산화물 촉매, 산소 빈자리 많을수록 성능↑

 

페로브스카이트 산화물 촉매는 란탄족, 전이금속, 산소로 구성됩니다. 참고로 란탄족은 희토류 원소 중 원자번호 57번의 란탄(La)에서 71번 루테튬(Lu)까지의 15개 원소의 총칭합니다.

 

이 촉매는 전기가 잘 흐르고, 산소 발생과 환원 양쪽 반응에서 모두 우수한 특징을 가지고 있습니다. 따라서 충·방전과 같이 반대되는 반응이 꾸준히 일어나는 '금속-공기전지'나 '연료전지' 등에 쓰일 후보로 꼽힙니다. 기존 백금 등의 귀금속 촉매는 비싸고 안정성이 낮아 대체 촉매 개발이 활발한 상황입니다.

산소 빈자리 결함에 따른 전자 에너지 구조 및 촉매 성능 변화. 출처: UNIST
산소 빈자리 결함에 따른 전자 에너지 구조 및 촉매 성능 변화. 출처: UNIST

공동연구팀은 이 촉매의 경우 '산소 빈자리'가 많을수록 성능이 좋다는 사실에 착안해 새로운 페로브스카이트 산화물 촉매(Sm0.5Sr0.5CoO3−δ ,SSC)를 개발했습니다. 이와 더불어 촉매의 물질조성이나 표면적, 결정성 같은 물리・화학적 특성을 그대로 둔 채 산소 빈자리만 조절하면서 나타난 변화를 살폈습니다.

산소 빈자리 결함수에 따른 촉매 성능 변화 그래프. 출처: UNIST
산소 빈자리 결함수에 따른 촉매 성능 변화 그래프. 출처: UNIST

그 결과 산소 빈자리가 후기전이금속의 최외각 전자껍질(오비탈)에너지 준위를 바꿔 전체 성능이 높아진다는 것을 알아냈습니다. 참고로 전자가 있는 전자껍질을 원자 궤도 또는 원자 오비탈이라고 합니다. 양자역학적 개념으로 전자의 분포 확률을 의미합니다. 오비탈이 생긴 모양에 따라 s,p,d,f 등으로 분류되며, 에너지 준위가 다릅니다.

 

이준희 교수. 출처: UNIST
이준희 교수. 출처: UNIST

 

이준희 교수는 "페로브스카이트 산화물 촉매는 산소 빈자리를 만들어 주면 산소 환원 반응(ORR)이 잘 일어난다고 알려졌는데, 이번에 개발한 촉매는 산소 발생 반응(OER)도 잘 일어나는 '이기능성(bifuctionality) 촉매'"라며 "촉매에 만들어 준 산소 빈자리가 후기전이금속의 구조를 바꿔 산소 발생 반응(OER)도 촉진한 덕분"이라고 설명했습니다.

 

실제로 촉매 속 산소 빈자리의 양을 증가시키면서 성능을 검증한 결과, 산소 빈자리가 늘어날수록 두 반응 모두 촉진됐습니다. 이는 범밀도 함수 이론(Density Function Theory)를 이용한 이론 계산과도 일치했습니다.

 

김건태 교수. 출처: UNIST
김건태 교수. 출처: UNIST

 

 

 

김건태 교수는 "후기전이금속 산화물에 산소 빈자리를 도입해 효율적인 이기능성 촉매를 만들 수 있다는 걸 보여준 성과"라며 "산소 빈자리 자체가 촉매의 성능을 높이는 게 아니라는 걸 바로잡은 만큼, 새로운 접근법을 이용해 고효율 이기능성 촉매 개발을 가속할 수 있을 것"이라고 연구 의의를 밝혔습니다.

 

 

 

 


##참고자료##

 


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