세계 최초 나노촉매 표면 화학전류 측정 성공
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[산업일보 홍보영 기자] 표면 및 계면에서 발생하는 화학에너지의 변환과정에 대한 기초적인 이해는 친환경 에너지 및 촉매 기술개발을 위해 필수불가결하다. 특히 넓은 표면적과 높은 반응성을 갖는 나노촉매에서의 화학적 현상 규명은 차세대 촉매 개발에 있어 매우 중요하다. 일반적으로 나노촉매 표면에서는 발열반응에 의해 발생한 화학에너지가 전기적 또는 열적 에너지 소모 과정을 수반하며 촉매표면으로 전달된다고 알려져 있다. 하지만 전기적 에너지소모과정 중에 발생한 핫전자는 그 수명이 매우 짧아(Femtosecond: 1000 조분의 1) 이를 검출하는 데에는 한계가 있었다. 따라서 수 십 년 동안 활성도 및 선택도가 높은 나노촉매는 꾸준히 연구돼 개발됐음에도 불구하고, 촉매 성능 향상에 대한 정확한 원인 및 배경은 베일에 싸여져있다. |
나노촉매 반응의 기초현상‘핫전자’흐름이 최초로 규명됐다.
미래창조과학부(장관 최양희) 소속 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡) 박정영 그룹리더(KAIST EEWS대학원 교수) 연구진이 촉매 나노다이오드를 이용해 세계 최초로 나노촉매 반응 시 표면에서 발생하는 화학전류를 측정하는데 성공했다고 밝혔다.
이번 연구는 관찰이 어려웠던 나노촉매 위에 생성되는 핫전자(Hot Electron)1)를 측정하고 중요성을 이해한 점에서 큰 의미가 있다. 이로써 핫전자를 이용한 고효율 나노촉매 개발과 다양한 친환경 에너지 저장 및 전환시스템 연구에 도움이 될 것으로 기대된다.
연구진은 나노촉매 표면의 화학반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 촉매 나노다이오드 장치를 새롭게 개발해 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자가 효과적으로 화학전류로 검출됨을 확인했다.
나노촉매 분야는 넓은 표면적과 높은 반응성을 갖고 있어 꾸준히 연구되고 개발돼왔으나 표면에서 분자의 탈착 및 활성을 일으키는 기초현상인 핫전자의 수명이 매우 짧아 이를 측정하는데 큰 어려움이 있었다.
연구진이 개발한 새로운 촉매 나노다이오드는 얇은 금속 박막과 반도체로 이루어진 나노다이오드 표면 위에 콜로이드 합성법으로 제작한 백금 나노입자(1.7 나노미터와 4.5 나노미터 크기)를 랑뮤어 블라짓 기법을 통해 제작됐다.
이를 이용해 나노입자에서 발생하는 핫전자의 흐름을 측정하는데 성공했고, 그 결과 나노입자의 크기가 1.7인 경우, 4.2나노미터 크기의 촉매보다 촉매활성도가 50% 증가함과 동시에 화학전류 생성효율에 5배 증가됨을 확인했다.
연구진은 수소 산화반응 중 금속 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자 흐름을 검출하고 더 나아가 나노입자의 크기에 따른 촉매활성도 및 촉매 에너지 변화를 정략적으로 비교할 수 있었다.
이번 연구성과는 세계적인 화학저널인 안게반테 케미(Angewandte Chemi International Edition, IF 11.336) 2월 4일자 온라인에 게재됐고, 논문의 혁신성을 인정받아 핫 페이퍼(Hot paper)에 선정돼 2월 28일 발간되는 저널의 속표지(frontispiece)를 장식할 예정이다.
박정영 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더는 “이번 연구는 나노 물질 표면에서 일어나는 화학촉매와 핫전자 간 반응 메커니즘에 대한 이해에 이론적 기반을 제공했다”며 “핫전자를 이용한 고효율 나노촉매의 개발과 에너지 소모 절감을 통해 에너지 및 환경분야에도 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
홍보영 기자 papersong@kidd.co.kr
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