KAIST 박정영 교수가 주도한 연구팀은 나노입자의 산화막이 촉매 환경에서 만들어지고 촉매 활성도에도 직접적인 관계가 있음을 규명했으며 이결과를 바탕으로 활성도가 높은 촉매물질을 만드는 데 응용할 수 있음을 밝혀냈다. 박교수팀의 연구는 환경오염에 주요원인이 될 수 있는 촉매물질의 사용을 획기적으로 줄이는 데 기여 할 것으로 전망된다.
나노촉매(Nanocatalysts)*에 산화막을 형성시켜 촉매 반응을 극대화할 수 있는 원리가 규명됨으로써 새로운 촉매 물질 개발에 가능성이 열렸다. 나노촉매란 표면적이 높은 산화물 지지체에 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 금속입자가 분산돼 있는 구조로, 표면에서 기체 반응을 원활하게 하는 재료다. KAIST 박정영 교수가 주도하고 캄란 카디르 박사과정생(Kamran Qadir, 제1저자), 울산과기대 주상훈 교수, 한양대 문봉진 교수 및 UC 버클리대 가보소모자이 교수가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원 사업(도약 연구)과 WCU 육성 사업 및 지식경제부 등의 지원으로 수행했다. 우리가 일상생활에서 사용하고 있는 제품의 대부분(80% 이상)은 촉매를 이용해 만들 정도로, 촉매는 우리 생활에서 꼭 필요하고 중요한 물질이다. 특히 전 세계 연구자들은 인류가 직면한 중요 이슈인 에너지문제와 환경문제 등을 근본적으로 해결하기위해 친환경적인 화학 공정에 사용될 새로운 나노촉매 물질을 집중적으로 개발하고 있다. 현재 실생활에서 주로 사용되는 촉매는 나노입자와 산화물로 이뤄져 있다. 그 중 나노입자는 촉매의 표면적을 최대한 넓혀 촉매의 활성도를 높이는 역할을 한다. 여기서 활성도가 높다는 것은 촉매 반응이 잘 이뤄진다는 뜻이다. 활성도가 높은 촉매를 효과적으로 제조하기 위해서 나노입자의 표면 산화막이 중요한 요인으로 알려져 왔다. 그러나 이를 과학적으로 입증하기 위해서는 촉매가 반응하는 환경에서 나노입자의 산화 상태를 정확히 측정해야 하지만, 지금까지 대부분 진공상태에서만 분석돼 이를 면밀히 확인하기 어려웠다. 즉, 촉매가 반응하는 환경에서 측정되기 위해서는 상압 측정이 필요하다. 최근 개발된 상압 엑스선 광전자 분광법*으로 이러한 상압에서 표면 성분과 산화 상태의 연구가 가능해졌다. 박정영 교수 연구팀은 상압 엑스선 광전자 분광법으로 나노입자의 산화 상태를 촉매 환경에서 측정하는 데 성공했다. 박 교수팀은 2.8㎚와 6㎚ 크기의 루테늄 나노입자 2개를 콜로이드 합성법*으로 제작하고, 랭뮤르 블라짓 기법*으로 나노입자 한 층을 표면에 증착蒸着시켰다. 연구팀은 나노입자의 산화 상태를 온도와 압력을 바꿔가며 측정했고, 크기가 큰 루테늄 나노입자가 얇은 산화막을 가진다는 결과를 도출했다.
* 나노촉매(Nanocatalysts) : 주로 높은 표면적을 가지는 산화물 지지체에 1~10㎚ 크기의 금속 나노입자가 분산돼 있는 구조를 가진다. 최근에 유기화학적 방법을 이용해 나노입자의 크기, 모양, 조성을 바꾸면서 합성할 수 있게 돼 이러한 구조적 인자들이 촉매 반응의 활성과 선택성에 미치는 영향에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. * 엑스선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy) : 엑스선을 물질에 쬐었을 때 나오는 광전자의 운동에너지를 조사해 물질의 성분과 산화 상태 등을 연구하는 표면 분석법
루테늄 나노입자의 촉매환경 도중 산화 상태 조사. 왼쪽은 루테늄 나노입자에서 일어나는 촉매반응(일산화탄소 산화반응)을 보여주며, 아래쪽은 방사광 가속기에 설치된 상압 엑스선 광전자 분광법을 이용해 촉매 환경에서 루테늄 나노입자의 산화 상태가 분석됨을 나타낸다. 오른쪽은 루테늄 나노입자의 산화막의 두께가 나노입자의 크기에 관계있고 이는 촉매의 활성도에 직접적으로 영향 줌을 보여준다.
또한 연구팀은 측정 결과를 바탕으로 산화 상태가 촉매의 활성도에 미치는 영향을 확인, 크기가 큰 루테늄 나노입자의 얇은 산화막이 촉매의 활성도를 높일 수 있고, 산화 상태를 바꾸면 활성도도 제어할 수 있다는 사실을 입증했다. 박정영 교수는 "이번 연구를 통해 나노입자의 산화막이 촉매 환경에서 만들어지고 촉매 활성도에도 직접적인 관계가 있음을 규명했다"며 "활성도가 높은 촉매 물질을 만드는 데 응용돼 환경오염에 주요한 원인이 될 수 있는 촉매 물질의 사용을 획기적으로 줄이는 데 기여할 것으로 기대한다"고 연구 의의를 밝혔다. 한편 박정영 교수 연구팀의 이번 연구는 나노 분야의 권위 있는 학술지인 ≪Nano Letters≫에 게재됐다.
* 콜로이드 합성법 : 금속염과 안정제가 함께 용해돼 있는 용매에 환원제를 투입 또는 혼합해 나노입자를 제작하는 방법. 제작 과정에서 여러 인자를 바꿔 입자의 크기와 모양, 성분 제어가 가능함. * 랭뮤르 블라짓Langmuir-Blodgett 기법 : 금속 나노입자를 단층으로 제작하는 기법. 나노입자가 용액 위에 떠 있을 때, 표면 압력을 조절해 나노입자 사이의 평균 간격을 조절할 수 있음.
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