백금촉매성능향상시킨 DNA-그래핀하이브리드물질개발

보다 높은 활성의 백금촉매를 개발하기 위해, 보다 미세한 백금 나노입자들이 안정하게 잘 분산되어서 큰 반응 표면적을 가지도록 하는데 연구의 초점을 두었다. 물에 녹는 피리딘염화합금 화학시약과 DNA를 섞으면, 백금이온이 DNA의 모든 염기와 인산그룹에 균일하면서도 단단하게 결합한다. 이때, 환원제를 넣으면 백금이온이 중성백금으로 되면서, DNA로부터 쉽게 떨어지게 되며, 백금원자들은 서로 뭉쳐 백금나노입자들을 만들게 되는데 이런 방식은 백금 입자의 크기가 작지 않고 균일하게 만드는 것이 어렵다. 이를 해결키 위해 연구진은 백금나노입자-DNA-산화그래핀 복합물질을 만드는 새로운 합성법을 적용했다. DNA를 수용액에 쉽게 분산될 수 있는 표면적이 매우 넓은 산화그래핀과 섞어 가열하면, DNA의 이중가닥이 한 가닥씩으로 풀리고, DNA의 염기는 산화그래핀의 그래핀 부분과 강한 결합을 하며, 인접 그래핀 나노조각들을 서로 연결해 하이브리드 물질을 만들게 된다. 여기에 피리딘염화백금을 넣으면, 백금 이온이 넓은 표면을 가진 그래핀을 주형으로 한 DNA의 염기 및 인산그룹과 강한 결합을 하고 또 그래핀 산화물의 산소원자 주위에도 강하게 결합하게 된다. 여기에 NaBH4라는 환원제를 넣으며, 백금이온이 중성백금으로 변환되는데, 그래핀 산화물에 붙어 있는 백금이온들은 그대로 이온성을 유지하고 있기 때문에 그래핀에 계속 단단히 결합한 채로 있게 된다. 따라서 이 주위로 백금들이 일부 뭉치게 되나 그래핀에 붙어 있는 상황이라서 다소 그 뭉치는 현상이 제한받게 되고, 주위의 백금원자들이 떨어져 나와 금소결합으로 서로 뭉치는 것을 어느정도 막아준다. 그래서 보다 작은 백금 나노입자들로 이루어지게 되고, 또한 이들은 단단히 결합된 상태이므로, 표면적도 크고, 내구성도 큰 복합물질이 되어, 탁월한 촉매 활성도를 보이게 된다. 결국 백금나노입자, 그래핀 산화물, DNA 간의 강한 결합력으로 잘 섞인 매우 큰 표면적의복합체를 이용하는 것이다. 이 때 복합체의 표면에 균일하게 붙어있는 1나노미터 정도의 백금 미세나노입자들은 큰 표면적으로 촉매활성이 크게 개선되어 산소환원반응 포텐셜 등이 크게 증가하며, 표면에 강하게달라붙어 내구성 또한 탁월하다. 이러한 물성으로 훨씬 적은 양으로 보다 큰 활성도를 보일 수 있다. 합성된 나노입자는 전기화학적 방법으로 측정한 결과 상업용 구형 활성탄소 나노입자에 백금나노입자를 붙인 것에 비해, 산소환원에 대한 강한 촉매활성효과를 보인다. 뛰어난 산소 환원반응 활성도 및 전기 내구성 등으로 연료전지 개선에 유용하게 응용될 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 개발된 합성방법은 백금 이외에도 팔라듐이나 금 등을 산화그래핀에서 합성하는 데도 유용할 것으로 기대된다. 개발된 잘 분산된 미세 백금나노입자는 기존 백금나노입자 보다 촉매활성이 3배 이상으로 보다 적은 양의 백금을 사용하면서도 활성과 내구성이 뛰어난 연료전지의 실용적인 개선에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.