한국과학기술원(KAIST) 연구진이 촉매가 반응 환경에 맞춰 산소를 선택적으로 활용할 수 있다는 원리를 새롭게 밝혀내며, 촉매 설계의 새로운 기준을 제시했다.
KAIST는 이현주 생명화학공학과 교수와 박정영 교수, 한정우 서울대 교수 공동연구팀이 친환경 촉매로 널리 쓰이는 세리아(CeO₂)가 크기에 따라 산소를 사용하는 방식이 완전히 달라진다는 사실을 세계 최초로 규명했다고 4일 밝혔다.
세리아는 세륨이라는 금속과 산소가 결합한 화합물로, 산소를 저장했다가 필요할 때 꺼내 쓸 수 있어 촉매 분야에서 '산소 탱크'로 불린다. 그러나 그동안 산소가 어디서 와서, 어떤 조건에서 반응에 사용되는지는 명확히 밝혀지지 않았다.
연구팀은 세리아를 아주 작은 나노 크기부터 상대적으로 큰 크기까지 정밀하게 제어한 촉매를 제작하고, 산소 이동과 반응 과정을 체계적으로 분석했다.
그 결과 작은 세리아 촉매는 공기 중 산소를 빠르게 받아들여 즉시 반응에 사용하는 '순발력형'으로 작동하는 반면, 큰 세리아 촉매는 내부에 저장된 산소를 표면으로 끌어올려 지속적으로 공급하는 '지구력형' 역할을 한다는 사실을 확인했다.
즉 촉매 크기만 조절해도 반응 조건에 따라 공기 중 산소를 사용할지, 내부에 저장된 산소를 사용할지를 선택할 수 있는 설계 원리를 처음으로 밝혀낸 것이다. 연구팀은 이 메커니즘을 첨단 실험 분석과 인공지능(AI) 기반 시뮬레이션을 통해 동시에 입증했다.
연구팀은 이 원리를 메탄 제거 실험에 적용했다. 메탄은 이산화탄소보다 온난화 효과가 수십 배 강한 온실가스로, 산소를 이용해 이산화탄소와 물로 전환하는 촉매 산화 반응으로 제거된다.
실험 결과 작은 세리아 촉매가 공기 중 산소를 즉각적으로 활용함으로써 낮은 온도와 습기가 많은 환경에서도 메탄을 안정적으로 제거하는 성능을 보였다. 이는 고가의 귀금속 촉매(백금과 팔라듐) 사용량을 크게 줄이면서도 오히려 성능을 높일 수 있음을 보여준다.
이번 성과는 환경 정화 장비의 제조 비용 절감은 물론, 비·습기 등 실제 산업 환경에서도 성능이 유지되는 고내구성 촉매 개발로 이어져 친환경 에너지·환경 산업의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.
이현주 교수는 “이번 연구는 촉매에서 산소가 작동하는 두 가지 핵심 메커니즘을 처음으로 명확히 구분한 성과”라며 “기후 위기 대응에 필요한 고효율 촉매를 반응 조건에 맞춰 맞춤 설계할 수 있는 새로운 길을 열었다”고 말했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난달 9일 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
