화학반응이 원활하게 이뤄지도록 돕는 촉매(catalyst)는 고부가가치 화학제품을 만들 수 있는 '마법사의 지팡이'로 불린다. 

널리 쓰이는 금속촉매와 달리 작은 분자 하나하나가 반응에 관여하는 분자촉매는 활성이 높아 미래의 촉매로 주목받는다. 다만 반응과정에서 서로 결합해 다른 화합물로 변하기 쉬워 활용이 어려웠다.  

때문에 다른 입자와 결합시켜 분자촉매의 안정성을 높이는 방법이 주로 이용됐다. 하지만 안정성을 얻는 대신 활성이 낮아지는 단점이 있었다. 

이에 연구팀은 각 분자촉매를 속이 비어 있는 사면체 케이지 형태 입자에 넣는 방식으로 안정성과 활성을 함께 구현했다.  

각각의 케이지가 용액 중에서 분산된 형태로 존재, 안에 든 분자촉매가 서로 만나지 못하게 함으로써 본래 활성을 유지하면서 안정성도 잃지 않는 원리다. 

연구진은 약 1.5 나노미터(㎚) 크기인 금속유기-단위입자로 된 케이지 안에 분자촉매를 하나씩 결합, 각 촉매분자들이 떨어져 있도록 유도함으로써 다른 화합물로 변하는 것을 방지했다. 

금속유기-단위입자(metal-organic polyhedra)는 선택된 방향으로만 결합할 수 있는 금속산화물과 유기링커의 결합으로 된 1~ 2nm 정도의 나노입자이다. 

실제 24시간 동안 보호 케이지 안에 담긴 광촉매의 반응활성을 측정한 결과, 반응성능이 42배 이상 증가했다. 단위시간당 활성도 일정하게 유지됐다. 

다양한 분자촉매를 담을 수 있는 플랫폼을 개발하고 실제 촉매에 적용한 사례로 향후 오염물 분해반응, 유기합성, 전기화학반응 등 다양한 반응에서 촉매의 활성과 안정성을 높이는 실마리가 될 수 있다.  

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(신진중견연계)의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제학술지 '에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 지난 달 29일자로 게재됐다.