KAIST(총장 강성모)는 생명화학공학과 최민기 교수와 EEWS 대학원의 김형준 교수 공동 연구팀이 1년 이상 유지가 가능하고, 과산화수소를 생산할 수 있는 단일원자 크기의 백금촉매 개발에 성공했다고 지난 3월 14일 밝혔다. 이번 연구는 미래창조과학부의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 3월 8일자 온라인 판에 게재됐다.
최민기 교수
금속과 강하게 결합할 수 있는 황 원자 특성제올라이트 거푸집으로 탄소 나노 구조 합성
백금 고체촉매는 산업계에서 널리 이용된다. 따라서 고가의 촉매 활성물질인 백금을 최대한 효율적으로 활용하기 위해 백금 촉매입자를 최대한 작게 합성하려는 연구가 그동안 많이 수행되어 왔다. 과학계에서는 그동안 효율적인 금속의 사용을 위해 가장 작은 구성원소인 단일원자로 이뤄진 백금촉매(1/10 나노미터 수준)를 개발하기도 했다. 백금을 비롯한 모든 금속은 나노미터 수준에서는 매우 불안정하기 때문에 특정 금속산화물을 담지체로 사용해 백금원자를 안정화해야 한다. 그러나 이 방법으로 합성된 촉매는 장기적으로는 안정성이 떨어지는 경우가 대부분이다. 탄소 소재의 경우, 전기 전도성이 높고 저렴해 담지체로 서 장점을 갖지만, 금속을 안정화시키는 능력이 매우 떨어져 탄소전극 위에서 백금을 합성시키기 어려웠다. 연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 금속과 강하게 결합할 수 있는 황 원자를 이용했다. 제올라이트를 거푸집으로 사용해 황 원자가 다량으로 분포된 탄소 나노 구조를 합성했고, 이 물질에 백금촉매를 형성했을 때 단일원자 형태로도 백금을 안정화시키는 것을 발견했다.
연구팀은 황과 결합된 이 탄소 소재가 일반적인 촉매합성방법을 통해서도 백금이 단일원자 크기로 존재하는 것을 확인했다. 또한, 기존의 단일원자 촉매는 불안정성으로 인해 구조가 쉽게 변했지만, 연구팀이 개발한 촉매는 상온에서 1년이 지난 후에도 대부분의 촉매가 단일원자로 존재하는 안정성을 보였다.
저렴한 과산화수소 생산 방식 소득
한편, 연구팀은 추가적인 성과도 확인했다. 일반적인 단일원자 백금촉매를 수소와 산소를 이용해 연료 전지기술에 적용할 경우 대부분 물(H2O)이 형성되지만, 연구팀의 단일원자 백금촉매는 고부가가치 물질인 과산화수소(H2O2)가 95% 이상의 선택도로 생성돼 저렴하게 과산화수소를 생산할 수 있을 것으로 기대된다. 최 교수는 “기존의 불균일계 촉매로는 불가능했던 특이 촉매 선택성을 구현할 수 있을 것으로 예상된다”며 “다른 단일원자 촉매군에 비해 훨씬 높은 안정성을 가져 촉매수명을 획기적으로 늘릴 수 있을 것으로 기대된다”고 전했고, 김 교수는 “양자역학 시뮬레이션을 이용해 단일원자 백금촉매가 탄소 담지체에서 갖는 안정성 및 특이한 선택성 등의 원인을 규명했다”고 설명했다. 이번 연구에서는 제올라이트를 거푸집으로 사용해 역상을 뜨는 방식으로 황 원자가 도핑되어 있는 탄소 소재를 개발했고, 일반적인 촉매 합성방법을 통해서도 이탄소 소재에서는 백금이 단일원자 크기로 존재하는 것을 확인했다.
백금 단일원자 촉매는 전기화학적 산소환원반응에서 일반적인 백금촉매와는 완전히 다른 촉매적 활성을 보여주었다. 일반 백금촉매는 대부분 물이 생성되지만, 단일원자촉매는 95% 이상의 선택도로 고부가가치 화학물질인 과산화수소가 생성되었다. 결과적으로 이러한 촉매는 전기를 생산하면서 저렴하게 과산화수소를 생산할 수 있는 기술을 이룰 수 있는 유망한 촉매가 될 수 있으며, 전기화학적 산소 환원반응에만 국한되지 않고, 높은 선택도를 필요로 하는 화학반응들에도 적용될 수 있을 것으로 예상한다.
[그림 1] 백금 단일원자 촉매에서의 과산화수소(H2O2) 생성반응 모식도
[그림 2] 백금 단일 원자 사진
<용어설명>
1. 금속산화물 : Metal oxide, 산소와 결합한 각종 금속 화합물들
2. 원자층 증착(Atomic layer deposition, ALD) : 기판 위에 얇은 층의 박막을 덮는 기술로, 기판을 덮고자 하는 박막의 원료(precursor)를 매우 소량 기판에 뿌려준다. 기판에 박막이 성장할 수 있는 부분은 제한적이고 매우 소량의 박막원료가 존재하기 때문에 얇은 층(단일원자 크기)의 박막을 얻을 수 있다.
3. 제올라이트 : 알루미늄 산화물과 규산 산화물의 결합으로 생겨난 음이온을 알칼리 금속 및 알칼리 토금속이 결합되어 있는 광물을 총칭하며, 결정질 알루미늄 규산염 광물을 의미한다.
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