국내 공동연구진이 합금 나노입자 촉매 반응 현상 메커니즘을 규명했다.
기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 박정영 나노물질 및 화학반응연구단 부연구단장이 이끄는 연구팀이 정유성 KAIST 교수팀과 함께 합금 나노 촉매 표면 금속 산화물 계면이 촉매 성능을 향상시키는 중요 요소임을 확인했다고 8일 밝혔다.
합금 나노입자는 고효율 촉매 활성도를 가져 수소 연료 전지나 물분해에 쓰이는 친환경 촉매 소재로 주목받고 있다. 특히 화학 조성에 따라 표면 전자구조나 결합에너지를 제어할 수 있어 다방면에 활용할 수 있다. 그러나 반응물이나 조건에 따라 표면구조도 쉽게 달라져 반응 메커니즘을 규명하기 어려웠다.
핵심 요소는 핫 전자다. 핫전자는 외부에너지가 전달될 때 에너지를 갖게되는 전자로, 촉매 활성도가 증가할수록 많아진다. 화학반응 시 표면에 1천조분의 1초 수준으로 순식간에 발생했다가 사라진다.
연구팀은 기존에 개발한 '핫전자 촉매센서'로 백금·코발트 합금 촉매 구조에서 핫전자를 실시간 관찰했다. 이 결과 합금 나노 입자 표면에 백금-코발트 산화물 계면이 만들어지고, 계면 전하이동이 늘어나면서 핫전자 검출 효능이 증가하는 것을 확인했다. 계면이 촉매 활성을 높인 것이다.
연구팀은 또 분자 내 전자가 든 모양과 에너지를 양자역학으로 계산하는 '밀도범함수이론'으로 이런 반응 메커니즘을 입증했다.
이밖에 백금 75%, 코발트 25% 합금비에서 가장 많은 핫전자가 발생하고 촉매 성능이 높다는 것도 확인했다.
박 부연구단장은 “이번 연구로 두 물질 사이 계면이 촉매 반응성과 핫전자 생성을 증촉시킨다는 것을 규명했다”며 “앞으로 고효율 차세대 촉매물질 개발에 응용할 수 있다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
