EEWS 대학원 박정영, 정유성 교수 공동 연구팀이 합금 촉매 표면의 화학 반응 양상을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다. 이번 연구는 지난 7월 13일 <어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)> 온라인판에 게재되었다.

백금-니켈 합금 촉매의 표면을 분석해

 연구팀이 대상으로 한 합금은 백금(Pt)과 니켈(Ni)로 구성된 백금-니켈 합금 촉매이다. 단순히 백금 혹은 니켈로만 구성된 촉매와 비교했을 때, 백금-니켈 합금 촉매는 높은 활성도를 보인다. 하지만 해당 촉매를 효율적으로 합성하기 위한 관련 연구의 부족으로 촉매의 실제적인 사용은 어려웠다. 이를 위해서는 백금-니켈 합금 촉매의 구체적인 메커니즘과 관련된 연구가 필요했다.

반응 경로에 따른 에너지 변화를 관측

 연구팀은 특정 인터페이스에 일산화탄소가 위치하고, 이곳에 산소 원자를 추가로 공급해 이산화탄소를 생성하는 화학 반응을 고려하였다. 이때, 인터페이스는 기본적으로 금속-산화물 계면 나노 구조*로 구성된다. 연구팀은 이 인터페이스 내부에서 산화 반응 경로를 따라 표면의 에너지가 어떻게 변화하는지에 초점을 맞췄다.

속도 결정 단계의 활성화 에너지 낮춰

 이번 연구는 밀도범 함수** 양자 모델 계산법을 사용해 전반적인 반응 경로를 분석했다. 연구팀은 속도 결정 단계(Rate Limiting Step)에서 백금 촉매가 아닌 백금-니켈 합금 촉매를 사용할 경우, 해당 활성화 에너지가 확연히 낮아지는 것을 확인했다. 백금 촉매를 사용할 경우 활성화 에너지는 약 0.86eV인 반면, 백금-니켈 합금 촉매를 사용한 경우 활성화 에너지는 0.37eV로 백금 촉매 활성화 에너지의 절반보다 낮은 값을 보였다. 전이 금속으로 구성된 촉매는 주변 가스 환경이 초고진공인가, 산화가 이루어지는가 등에 따라 표면의 양상이 큰 폭으로 달라진다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 모든 반응을 실제 촉매가 겪는 상압 환경에서 측정하였다. 수학적 모델을 통한 이론적 분석과 투과형전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 통한 실험적 분석이 동시에 이루어진 것도 주목할 만하다.

최근에서야 시작된 원자 수준의 분석

 특정 물질 표면의 원자를 관찰하는 연구는 본격적으로 시작된 지 얼마 되지 않았다. 원자를 관찰하는 연구 자체가 최근에 등장하다 보니, 상압의 전이 금속 원자를 관찰하는 연구는 더더욱 발전이 느릴 수밖에 없었다. 이번 연구는 합금 촉매 반응을 원자 수준에서 분석함으로써 관련 연구 속도의 가속화에 크게 기여했다.

실제 상용화 환경에서 반응물 관측해

 기존의 연구들은 단결정 분자들의 반응 과정을 중심으로 진행되었다. 하지만, 상용화를 위한 화학 공정은 이보다 훨씬 복잡해 연구와 상용화의 간극을 메우는 과정이 필요했다. 이번 연구는 기존 연구들과 달리 실제 진행되는 복잡한 화학 공정과 맞닿아 있다는 데 그 의미가 크다. 그럼에도 불구하고, 당장 관련된 산업 분야에 촉매 활성도 메커니즘을 활용한 기술을 직접 적용하는 것은 힘들 전망이다. 비용이나 환경 문제 등 추가로 고려해야 할 쟁점이 아직 많다. 

 박 교수는 “나노 입자의 크기나 모양, 조성 등을 바꾸는 과정을 통해 낮은 비용으로 효율적인 나노 촉매를 디자인하는 것은 매우 중요하다”라며, “나노 촉매의 상압 표면을 분석하고 메커니즘을 이해하는 과정은 더욱 중요하다”라고 말했다.

금속-산화물 계면 나노 구조*

 단일 금속이나 산화물과 달리 물리적으로 섞인 구성물이 일정한 단위를 갖는 구조물.

밀도범 함수**

 분자 내부의 에너지를 양자역학적으로 계산하는 수학적 방법론.