KAIST 생명화학공학과 이현주 교수 연구팀이 불균일계 백금 단일원자 촉매를 전기화학 반응에 적용시키는 데 성공했다.

이번 연구는 연세대학교 알로이시우스 순(Aloysius Soon) 교수팀과의 공동 연구를 통해 진행됐다.

연구 결과는 화학분야 권위지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 작년 12월 28일자 온라인 판에 게재됐고, 그 중요성을 인정받아 핫 페이퍼(Hot Paper)로 선정됐다.

백금은 공기 중 쉽게 부식되지 않고 단단하기 때문에 반지, 귀걸이 등의 장신구로 널리 사용된다. 특히 다양한 분야의 촉매 물질로 활용돼 촉매의 왕이라고 불리며 각종 신재생 에너지 분야에서도 활용도가 높아 그 중요성이 점점 커지고 있다.

백금 촉매의 가격을 낮추기 위해선 백금 입자의 크기를 나노미터 단위로 줄여, 화학 반응에 참여하는 표면적을 최대한 넓히는 것이 중요하다.

큰 얼음 덩어리보다 잘게 간 얼음이 빨리 녹고, 사탕을 씹어 먹으면 더 빨리 녹는 것과 비슷한 원리이다. 현재 기술력으로 가장 작게 제작할 수 있는 백고 나노입자는 2나노미터(nm) 정도이고 이보다 더 작아지면 백금 나노입자의 안정성은 떨어진다.

최근에는 백금 나노입자에서 더 발전된 백금 단일원자 촉매의 개발이 활발하게 이뤄지고 있다. 백금 단일원자 촉매는 각각의 백금 원자가 따로 떨어져 있는 촉매로서, 모든 원자가 반응에 참여할 수 있는 이상적인 촉매 시스템이다.

나노과학 기술과 분석기법 성능이 발전하면서 단일원자 촉매의 합성과 분석 등에 대한 연구가 시작됐지만, 단일원자 촉매를 전기 화학 반응에 적용한 사례는 없었다.

전기화학은 재상에너지의 생산, 보관 및 전환에 필수 분야로, 전기화학 반응은 연료전지, 배터리, 화학물질 생산 등에 널리 이용된다.

순 교수 연구팀은 2012년 밀도범함수 이론(Density functional theory) 계산을 통해 전도성을 가진 질화 티타늄에 존재하는 결함자리에 백금 단일원자가 존재할 수 있음을 이론적으로 증명했다. 2013년에는 백금 단일 원자가 기존 촉매와는 전혀 다른 특성을 보일 것으로 예측했다.

이 교수 연구팀은 순 교수 연구팀의 시뮬레이션 결과를 토대로 클로린 리간드를 통해 전도성이 있는 질화 티타늄 나노입자 위에 백금 단일원자 촉매를 만드는 데 성공했다.

백금 단일원자 촉매는 백금 나노입자와 전혀 다른 반응성 및 선택성을 나타냈다. 과산화수소 생성 반응에서 기존의 최고 성능보다 약 3배 향상된 질량당 반응성, 65%의 높은 선택도를 보였다.

유기물질의 산화반응에서도 백금 단일원자는 나노입자와 다른 반응을 보였다. 포름산 산화반응, 메탄올 산화반응에서도 백금 나노입자는 탈수화 반응을 보이는 데 반해, 백금 단일원자는 탈 수소화 반응을 보였다.

이 교수는 “단일원자 촉매는 기존의 촉매 시스템과 전혀 다른 특성을 가져 산업적으로 다양한 반응에 이용 가능하다”며 “단일원자 촉매군을 이용하면 기존의 불균일계 촉매균으로는 불가능했던 높은 반응성과 선택성을 구현할 수 있을 것이다”고 말했다.

양성은 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구는 글로벌프런티어 멀티스케일 에너지 연구단 및 미래창조과학부의 지원을 받아 수행됐다.