온실가스의 감축 및 청정 연료의 생성을 위해 이산화탄소를 메탄올로 전환시키는 기술이 최근 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 공업적으로 이산화탄소를 변환시키기 위해서는 고온 및 고압의 촉매 환경이 요구가 되기에, 이를 극복하기 위한 촉매 물질의 개발이 큰 난제로 여겨진다.
 한국교원대학교 화학교육과 이시우 교수가 막스플랑크 프리츠하버 연구소에서의 박사후 연구원(지도교수: Prof. Beatriz Roldán Cuenya) 과정 동안 수행했던 연구의 결과로, 이산화탄소의 전환과정에서 촉매 표면 변화를 원자 수준으로 관찰하는 데에 성공을 했다.
 본 연구진은 상압 전자터널링 현미경(AP-STM) 장비를 이용해, 표면의 변화를 실시간으로 관찰했다. 이는 기존에 초고진공에서 작동하는 전자 터널링 현미경 장비와는 다르게, 화학 반응 환경에서 표면의 동적 변화를 관찰할 수 있는 기술이다. 그 결과, 본 연구팀은 반응 중의 산화물-금속 계면 형성을 원자 수준으로 발견할 수 있었다.
 더 나아가, 상압 X선 광전자 분광법(AP-XPS) 기술을 활용해, 화학 반응 중에 촉매 표면에서의 흡착물 및 중간체의 변화를 실시간으로 관찰하여 이산화탄소 변환의 메커니즘을 규명할 수가 있었다.
 이시우 교수는 “실시간 표면과학(in-situ surface science) 기술의 도입을 통해서만 우리는 반응 중의 촉매 표면의 동적 변화를 관찰할 수 있기에, 획기적인 촉매 개발을 위해서는 전 세계적으로 표면화학 기술의 발달이 중요하다”라고 말했다.
 막스플랑크 프리츠하버 연구소의 Beatriz Roldán Cuenya 교수는 “이번 연구는 기존의 촉매 연구와는 달리, 촉매 작동 조건(operando: operating condition)에서의 표면 구조 및 메커니즘을 규명할 수가 있었고, 이는 촉매 개발을 보다 더 현실적인 시각으로 접근할 수가 있게 되었다”며 “본 결과는 차세대 고효율 이산화탄소 촉매 개발연구를 가속화할 것이다”라고 말했다. 
 독일의 Alexander von Humboldt 재단의 박사후연구원 지원 사업 및 유럽의 European Research Council 사업 등의 지원을 받은 본 연구 성과는 “Unraveling surface structures of gallium promoted transition metal catalysts in CO2 hydrogenation"으로 2023년 8월자로 네이처(Nature)에서 출판하는 종합 과학 분야에서의 최고 수준 학술지인 ‘Nature Communications’ (Impact Factor = 17.7)에 게재되었다.

방완재 다른기사 보기