백금 나노선을 타이타니아에 증착시켜 제작한 핫전자 촉매소자와 이를 이용한 온실가스 저감원리의 모식도(KAIST 제공) ©뉴스1

KAIST는 화학과 박정영 교수·신소재공학과 정연식 교수·생명화학공학과 정유성 교수 공동연구팀이 차세대 고성능 촉매 설계에 활용할 수 있는 반응성 향상 원리의 기틀을 마련했다고 8일 밝혔다.많은 화학 촉매 반응 중 알코올의 선택적 산화는 에너지 변환 및 화학 합성에서 중요한 변환 과정이다.

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 고부가 가치 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.더 나아가 금속 나노선-산화물 계면 기반의 `핫전자 촉매소자'를 활용해 실시간으로 핫전자의 이동을 관찰했다.

핫전자(Hot electron)는 분자의 흡착 등과 같은 외부 에너지가 금속 표면에 전달될 때 화학 에너지의 순간적인 전환과정에서 에너지가 올라간 상태의 전자를 말한다.

연구진은 금속-산화물 계면이 형성되면 메틸 포르메이트의 생성효율이 향상되는 동시에 이산화탄소의 생성이 현저히 감소하는 점을 관찰했다.

백금 나노와이어를 타이타니아에 증착시켜 제작한 핫전자 촉매소자를 이용한 금속-산화물 계면에서 촉매 반응에 의해 생성되는 핫전자 이동 검출(KAIST 제공) ©뉴스1

이같은 높은 선택도는 촉매 표면에 형성된 계면에서 증폭된 핫전자의 생성과 연관이 있음을 시사한다.

또, 연구진은 계면에서의 증가된 촉매 성능을 실험뿐 아니라 이론적으로도 입증했다.

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

연구를 주도한 화학과 박정영 교수는 "촉매의 선택도를 핫전자와 금속-산화물 계면을 통해서 제어할 수 있다는 개념은 에너지 전환 및 차세대 촉매 개발 뿐만 아니라 온실가스의 저감 등에 응용이 예상된다ˮ고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 종합 과학분야의 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스’ 1월4일자에 게재됐다.


km5030@news1.kr