박정영·정유성 KAIST 교수, 문봉진 GIST 교수팀 공동연구
차세대 고성능 촉매 설계에 활용 가능

차세대 고성능 촉매 설계에 활용할 수 있는 있는 연구 결과가 나왔다.

KAIST(총장 신성철)는 박정영·정유성 EEWS 대학원 교수 연구팀이 문봉진 GIST 물리·광과학과 교수팀과 공동으로 합금 촉매 표면에서 벌어지는 화학 반응 과정을 실시간으로 관찰해 합금 촉매의 반응성 향상과 직결된 반응 원리를 규명했다고 15일 밝혔다. 

합금 촉매는 단일 금속 또는 금속 산화물 촉매에 비해 우수한 성능을 보여 연료전지반응이나 탄소계열 공업화학반응 등에 활용된다.

하지만 합금 촉매 반응 결과에 대한 근본적인 원리가 자세히 밝혀지지 않아 촉매 연구 과정에서 발생하는 예상치 못한 결과를 설명하기 어려웠다.

이에 연구팀은 문제 해결을 위해 기존의 표면 직접 관찰 기기의 한계점을 크게 개선한 '상압 주사 터널링 전자 현미경'과 '상압 X-선 광전자분광기'를 활용해 백금-니켈 합금 촉매 표면의 변화 과정을 관찰했다.

이를 통해 실제 반응 환경에서 백금-니켈 합금 촉매의 반응성 향상 이유가 금속-산화물 계면 나노구조의 표면 형성으로부터 시작된다는 사실을 알아냈다.

또한 일산화탄소 산화반응 과정에서 백금 혹은 니켈 산화물 단일 촉매에 비해 금속-산화물 계면 나노구조가 갖는 비교적 낮은 활성화 에너지는 촉매 반응 원리 상 반응성 향상에 보다 유리한 화학 반응 경로를 제시할 수 있다는 점도 확인했다. 

결과는 밀도범함수 이론을 바탕으로 한 양자역학 모델링 계산을 통해 입증됐다.

박정영 KAIST 교수는 "초고진공 환경을 기반으로 한 기존의 표면 과학이 풀지 못한 실제 반응 환경에서의 합금 촉매 반응 과정을 처음으로 직접 관찰했다"라며 "앞으로 다양한 종류의 실제 반응 환경에 근접한 촉매 표면 반응을 연구할 계획"이라고 말했다.

정유성 KAIST 교수는 "직접 관찰과 양자 계산을 통해 합금 촉매의 주된 활성 자리가 계면임을 알아냈다"라면서 "다양한 합금 촉매의 설계·최적화에 중요한 단서가 될 것"이라고 말했다. 

문봉진 GIST 교수는 "마치 살아서 숨쉬고 있는 원자의 움직임과 반응성을 동시에 측정한 표면물리연구이다"라고 말했다. 

이번 연구는 IBS, 한국연구재단, GIST 등의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 지난 13일자 온라인 판에 게재됐다.

시간에 따른 표면 직접 관찰 모습.<사진=KAIST 제공>
시간에 따른 표면 직접 관찰 모습.<사진=KAIST 제공>
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