뜨거운 전자 이용해 온실가스 줄인다

금속-산화물 계면에서 발생하는 핫전자로 화학반응 제어
에너지 전환 및 차세대 촉매 개발에 응용 가능, 온실 가스 저감도 기대

백금 나노선을 타이타니아에 증착시켜 제작한 핫전자 촉매소자와 이를 이용한 온실가스 저감원리의 모식도

[아시아경제 황준호 기자] 화학 촉매 반응 중 알코올의 선택적 산화의 효율성을 높일 수 있는 방법이 개발됐다. 이 부분산화를 통해 포름알데히드, 포름산 등 산업적 가치가 뛰어난 화학연료를 생산하면서 이산화탄소는 줄일 수 있는 원리를 찾아낸 것이다.

한국과학기술원은 박정영 화학과 교수(기초과학연구원 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장), 정연식 신소재공학과 교수, 정유성 생명화학공학과 교수 등의 공동 연구 결과가 국제 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈에 최근 실렸다고 8일 밝혔다.

연구팀은 금속-산화물 계면에서의 촉매 화학 반응 과정에 대한 메커니즘을 밝히고, 핫전자(뜨거운 전자)가 촉매 선택도를 향상시키는 데 결정적인 요소임을 입증했다. 핫전자는 분자의 흡착, 화학 촉매 반응, 빛의 흡수와 같은 외부 에너지가 금속 표면에 전달될 때 화학 에너지의 순간적인 전환과정에서 에너지가 올라간 상태를 말한다.

먼저 연구팀은 백금 나노선을 티타늄 산화물에 붙여 '금속 나노선-산화물 계면'을 제어하는 신개념 촉매를 개발했다. 또 이 계면을 기반으로 한 핫전자 촉매 소자를 활용해 실시간으로 핫전자의 이동을 관찰했다. 이를 통해 금속-산화물 계면이 형성되면 메탄올의 부분 산화를 통해 형성되는 메틸 포르메이트의 생성효율이 올라가면서, 이산화탄소의 생성이 줄어든다는 것을 확인했다. 메틸 포르메이트는 포름알데히드, 포름산을 생산할 수 있는 원료가 된다.

연구팀은 이 촉매의 높은 선택도가 촉매 표면에 형성된 계면에서의 증폭된 핫전자의 생성과 연관이 있다는 것도 규명했다. 특히 연구팀은 양자역학 모델링 계산 결과 비교를 통해 금속 나노선-산화물 계면에서의 증폭된 촉매 선택도가 계면에서의 완전히 다른 촉매 반응 메커니즘에서 기인하는 것임을 이론적으로 증명하기도 했다.

백금 나노선을 타이타니아에 증착시켜 제작한 핫전자 촉매소자를 이용한 금속-산화물 계면에서 촉매 반응에 의해 생성되는 핫전자 이동 검출

연구를 주도한 화학과 박정영 교수는 "핫전자와 금속 나노선-산화물 계면을 이용해 온실가스인 이산화탄소의 생성을 줄이고 고부가 가치 화학연료의 생성을 증대시킬 수 있다"며 "촉매의 선택도를 핫전자와 금속-산화물 계면을 통해서 제어할 수 있다는 개념은 에너지 전환 및 차세대 촉매 개발에 이용될 수 있고 지구온난화의 주원인인 온실가스의 저감 등의 응용성을 가질 거라고 예상된다"고 말했다.

나노선과 산화물의 접합 연구를 주도한 신소재공학과 정연식 교수는 "기존의 촉매 소자 시스템에서는 기술적으로 어려웠던 금속-산화물 계면에서의 핫전자 검출을 아주 정밀한 나노선 프린팅 기술로 인해 가능하게 만든 연구"라며 "이 기술은 향후 다양한 차세대 하이브리드 촉매 개발에 활용할 수 있으리라 기대된다"고 밝혔다.

이론적인 계산으로 계면과 촉매 선택도 간 관계 입증을 주도한 생명화학공학과 정유성 교수 역시 "촉매 화학 반응에서의 선택도를 높이기 위해 금속-산화물 계면이 중요한 역할을 할 수 있음을 실험적 관찰과 이론적인 양자 계산을 통해 증명한 연구로, 불균일 촉매를 이용한 화학 공정 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 설명했다.

개발한 핫전자 촉매소자에서 백금 나노선의 선폭(금속-산화물 계면의 농도)에 따른 촉매 선택도 및 핫전자 검출 효율 변화

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr