[과학을 읽다]촉매왕 '백금'…다양한 반응에 이용

국내 연구팀, 백금 단일원자 촉매 전기화학 반응에 적용

▲HAADF-STEM 분석법을 통해 관찰한 백금 단일원자(원으로 표시된 밝은 점).[사진제공=카이스트]

[아시아경제 정종오 기자] 국내 연구팀이 불균일계 백금 단일원자 촉매를 전기화학 반응에 적용시키는 데 성공했습니다. 백금은 공기 중 쉽게 부식되지 않고 단단하기 때문에 반지, 귀걸이 등의 장신구로 널리 사용되죠. 다양한 분야의 촉매 물질로 활용돼 촉매의 왕이라고 불립니다. 각종 신재생 에너지 분야에서도 활용도가 높아 그 중요성이 점점 커지고 있죠.

백금 촉매의 가격을 낮추기 위해선 백금 입자의 크기를 나노미터 단위로 줄여 화학 반응에 참여하는 표면적을 최대한 넓히는 것이 중요합니다. 큰 얼음 덩어리보다 잘게 간 얼음이 빨리 녹고, 사탕을 씹어 먹으면 더 빨리 녹는 것과 비슷한 원리입니다. 현재 기술력으로 가장 작게 제작할 수 있는 백금 나노입자는 2나노미터(nm) 정도입니다. 이보다 더 작아지면 백금 나노입자의 안정성은 떨어집니다.

백금 나노입자에서 더 발전된 백금 단일원자 촉매의 개발이 활발하게 이뤄지고 있습니다. 백금 단일원자 촉매는 각각의 백금 원자가 따로 떨어져 있는 촉매로 모든 원자가 반응에 참여할 수 있는 이상적 촉매 시스템으로 알려져 있습니다. 나노과학 기술과 분석기법 성능이 발전하면서 단일원자 촉매의 합성과 분석 등에 대한 연구가 시작됐는데 단일원자 촉매를 전기 화학 반응에 적용한 사례는 없었습니다.

전기화학은 재상에너지의 생산, 보관과 전환에 필수 분야입니다. 전기화학 반응은 연료전지, 배터리, 화학물질 생산 등에 널리 이용되죠. 연료전지의 산화전극, 환원전극에서 백금의 사용량이 많기 때문에 백금 단일원자 촉매를 전기화학 반응에 적용시키는 것은 미래 에너지 생태계의 주요 과제입니다.

국내 연구팀은 2012년 밀도범함수 이론(Density functional theory) 계산을 통해 전도성을 가진 질화 티타늄에 존재하는 결함자리에 백금 단일원자가 존재할 수 있음을 이론적으로 증명했습니다. 이어 2013년에는 백금 단일 원자가 기존 촉매와 전혀 다른 특성을 보일 것으로 예측했습니다.

연구팀은 시뮬레이션 결과를 토대로 클로린 리간드를 통해 전도성이 있는 질화 티타늄 나노입자 위에 백금 단일원자 촉매를 만드는 데 성공했습니다. 백금 단일원자 촉매는 백금 나노입자와 전혀 다른 반응성과 선택성을 나타냈습니다. 과산화수소 생성 반응에서 기존의 최고 성능보다 약 3배 향상된 질량당 반응성, 65%의 높은 선택도를 보였습니다.

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

이번 연구는 카이스트(KAIST, 총장 강성모) 생명화학공학과 이현주 교수 연구팀과 연세대학교 알로이시우스 순(Aloysius Soon) 교수팀과 공동 연구를 통해 진행됐습니다. 연구 결과는 지난해 12월 28일 화학분야 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 온라인 판에 실렸습니다.

이 교수는 "단일원자 촉매는 기존의 촉매 시스템과 전혀 다른 특성을 가져 산업적으로 다양한 반응에 이용 가능하다"며 "단일원자 촉매군을 이용하면 기존의 불균일계 촉매군으로는 불가능했던 높은 반응성과 선택성을 구현할 수 있을 것"이라고 말했습니다.