에너지 전환 및 차세대 촉매 개발에 응용 가능

카이스트(총장 신성철)의 박정영 교수(기초과학연구원 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장), 정연식 교수(신소재공학과), 정유성 교수(생명화학공학과) 공동연구팀의 연구 성과가 화재다. 이들은 금속-산화물 계면에서의 촉매 화학 반응 과정에 대한 메커니즘을 밝히고, ‘핫전자’가 촉매 선택도를 향상시키는 데 결정적인 요소임을 입증했다. 

핫전자(Hot electron)란 분자의 흡착, 화학 촉매 반응, 빛의 흡수를 통해 외부 에너지가 금속 표면에 전달될 때, 에너지가 100배 정도 높게 올라간 전자를 말한다. 태양광을 전기에너지로 전환하는 데 사용되는 매개체로도 사용된다.

에너지 절감 위해선 고효율 촉매 필요
고효율 촉매 개발 위해 ‘선택성’이 중요

에너지 사용량 절감과 친환경 화학 공정 개발이라는 글로벌 도전 과제를 해결하기 위해 새로운 고효율 촉매 소재 개발이 필수적이다. 친환경 화학을 위한 불균일 촉매의 궁극적인 목표는 원하는 생성물에 대해 높은 선택성을 가진 재료를 설계하는 것이다.

많은 화학 촉매 반응 중 알코올의 선택적 산화는 에너지 변환 및 화학 합성에서 중요한 변환 과정이며, 특히 메탄올의 부분 산화를 통해 생성되는 메틸 포르메이트는 포름알데히드 및 포름산과 같은 귀중한 화학 물질의 화학연료로 사용되는 고부가 가치 생성물이다. 따라서 지구온난화 문제의 핵심인 이산화탄소의 저감과 고부가가치 화학연료 생성의 향상을 위해서는 열역학적인 장벽을 뛰어넘어 높은 선택도를 가지는 우수한 성능의 촉매 개발이 필요하다.

공동연구팀은 이를 해결하는 방안으로, 백금 나노선을 티타늄 산화물에 접합시켜 ‘금속 나노선-산화물 계면’이 정밀하게 제어되는 신개념의 촉매를 개발했다. 또한, 금속 나노선-산화물 계면 기반의 ‘핫전자 촉매소자’를 활용해 실시간으로 핫전자의 이동을 관찰했다. 연구진은 금속-산화물 계면이 형성되면 메틸 포르메이트의 생성효율이 향상되는 동시에 이산화탄소 생성이 현저히 감소하는 점을 관찰했다. 이를 통해 높은 선택도는 촉매 표면에 형성된 계면에서의 증폭된 핫전자의 생성과 연관이 있음을 규명했다.

실험뿐 아니라 이론으로도 증명

또한 연구진은 금속 나노선-산화물 계면에서의 증폭된 촉매 선택도가 계면에서의 완전히 다른 촉매 반응 메커니즘에서 기인하는 것임을 양자역학 모델링 계산 결과 비교를 통해 증명했다.

박 교수는 “핫전자와 금속 나노선-산화물 계면을 이용해 온실가스인 이산화탄소의 생성을 줄이고 고부가 가치 화학연료의 생성을 증대시킬 수 있다”며 이번 연구가 앞으로 많은 분야에 응용될 것이라고 내다봤다.

한편, 이번 연구 결과는 지난 4일 국제 학술지 「네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)」에 개재됐다. 

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