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합금 촉매의 화학반응 촉진 원리 찾았다

KAIST 박정영 교수 "반응과정 직접 관찰 첫 사례"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 백금-니켈 합금 촉매가 일산화탄소 산화반응을 촉진하는 과정을 실제 반응환경에서 처음으로 직접 관찰, 합금 촉매의 화학반응 촉진 원리를 밝혀냈다.

한국과학기술원(KAIST) EEWS 대학원 박정영·정유성 교수팀은 14일 광주과기원(GIST) 물리·광과학과 문봉진 교수팀과 공동연구로 백금-니켈 합금 촉매 표면에서 일어나는 화학반응 과정을 실시간으로 관찰, 합금 촉매의 반응성 향상 원리를 규명했다고 밝혔다.

주사 터널링 전자 현미경으로 백금-니켈 촉매 표면의 초고진공, 상압 일산화탄소, 상압 산소, 일산화탄소 산화 반응환경에서의 표면을 실시간으로 직접 관찰한 이미지. [KAIST 제공=연합뉴스]

합금 촉매는 단일 금속 또는 금속 산화물 촉매보다 뛰어난 성능을 보여 연료전지반응이나 탄소계열 공업화학반응 등에 이용된다. 하지만 합금 촉매의 반응성 향상 근본 원리는 자세히 밝혀지지 않아 촉매 연구 과정에서 발생하는 예상치 못한 결과를 설명하기가 어려웠다.

연구팀은 이 문제 해결을 위해 표면을 직접 관찰하는 데 사용해온 기존 기기의 한계점을 크게 개선한 '상압 주사 터널링 전자 현미경'과 '상압 X-선 광전자분광기'를 활용해 백금-니켈 합금 촉매의 표면에서 일산화탄소 산화반응이 일어날 때 나타나는 역동적인 변화 과정을 관찰했다.

이를 통해 실제 반응환경에서 백금-니켈 합금 촉매가 일산화탄소 산화반응의 반응성을 향상시키는 것은 금속-산화물 계면 나노구조의 표면 형성에서 시작된다는 사실을 밝혀냈다.

또 양자역학 모델링 계산으로 백금-니켈 합금 촉매의 반응성 향상 효과가 우수한 것은 합금 촉매 금속-산화물 계면 나노구조의 활성화 에너지가 백금이나 니켈 산화물 단일 촉매보다 낮기 때문이라는 사실을 규명했다.

상압 일산화탄소 산화 반응환경에서 시간에 따른 표면 직접 관찰 이미지들과 온도의 변화에 따른 상압 광전자분광 분석 결과. [KAIST 제공=연합뉴스]

이론적 원리 규명을 주도한 정유성 교수는 "직접 관찰과 양자 계산을 통해 합금 촉매의 주된 활성 자리가 계면임을 규명했다"며 "다양한 합금 촉매의 설계 및 최적화에 중요한 단서가 될 것"이라고 말했다.

박정영 교수는 "초고진공 환경을 기반으로 한 기존의 표면과학이 풀지 못한 실제 반응환경에서의 합금 촉매 반응 과정을 직접 관찰한 첫 연구사례"라며 "이 결과를 토대로 실제 반응환경에 근접한 다양한 종류의 촉매 표면 반응을 연구할 계획"이라고 말했다.

기초과학연구원(IBS), 한국연구재단, GIST 등 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴스'(Science Advances, 7월 13일자) 온라인판에 게재됐다.

[KAIST 제공=연합뉴스]

scitech@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>2018/07/14 03:00 송고

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