세계 최초로 나노촉매 표면의 화학전류 측정에 성공

- 안게반테케미誌 게재, 나노촉매 반응의 기초현상 ‘핫전자’ 흐름 최초 규명 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희) 소속 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡) 박정영 그룹리더(KAIST EEWS대학원 교수) 연구진이 촉매 나노다이오드를 이용하여 세계 최초로 나노촉매 반응 시 표면에서 발생하는 화학전류를 측정하는데 성공했다고 밝혔다.

 o 이번 연구는 관찰이 어려웠던 나노촉매 위에 생성되는 핫전자(Hot Electron)1)를 측정하고 중요성을 이해한 점에서 큰 의미가 있다. 이로써 핫전자를 이용한 고효율 나노촉매 개발과 다양한 친환경 에너지 저장 및 전환시스템 연구에 도움이 될 것으로 기대된다.

□  연구진은 나노촉매 표면의 화학반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 촉매 나노다이오드2) 장치를 새롭게 개발하여 나노촉매3) 표면에서 발생한 핫전자가 효과적으로 화학전류로 검출됨을 확인하였다.

 o 나노촉매 분야는 넓은 표면적과 높은 반응성을 갖고 있어 꾸준히 연구되고 개발되어왔으나 표면에서 분자의 탈착 및 활성을 일으키는 기초현상인 핫전자의 수명이 매우 짧아 이를 측정하는데 큰 어려움이 있었다.

 o 연구진이 개발한 새로운 촉매 나노다이오드는 얇은 금속 박막과 반도체로 이루어진 나노다이오드 표면 위에 콜로이드 합성법4)으로 제작한 백금 나노입자(1.7 나노미터와 4.5 나노미터 크기)를 랑뮤어 블라짓 기법5)을 통해 제작되었다.

 o 이를 이용하여 나노입자에서 발생하는 핫전자의 흐름을 측정하는데 성공하였고, 그 결과 나노입자의 크기가 1.7인 경우, 4.2나노미터 크기의 촉매보다 촉매활성도가 50% 증가함과 동시에 화학전류 생성효율에 5배 증가됨을 확인하였다.

 o 연구진은 수소 산화반응 중 금속 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자 흐름을 검출하고 더 나아가 나노입자의 크기에 따른 촉매활성도 및 촉매 에너지 변화를 정략적으로 비교하는데 성공하였다.

□  이번 연구성과는 세계적인 화학저널인 안게반테 케미(Angewandte Chemi International Edition, IF 11.336) 2월 4일자 온라인에 게재됐고, 논문의 혁신성을 인정받아 핫 페이퍼(Hot paper)에 선정되어 2월 28일 발간되는 저널의 속표지(frontispiece)를 장식할 예정이다.

*(논문제목) 콜로이드 백금 나노촉매 표면에서 수소 산화반응에 의해 발생한 핫전자 흐름 비교를 통한 나노촉매 크기 효과 규명
(Chemical Reaction-induced Hot Electron Flows on Pt Colloid Nanoparticles under Hydrogen Oxidation: Impact of Nanoparticle Size)

* (제1저자) 이효선 KAIST EEWS 대학원 박사과정생

* (교신저자) 박정영 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더(KAIST EEWS 대학원 교수)

 □ 박정영 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더는 “이번 연구는 나노 물질 표면에서 일어나는 화학촉매와 핫전자 간 반응 메커니즘에 대한 이해에 이론적 기반을 제공했다”며 “핫전자를 이용한 고효율 나노촉매의 개발과 에너지 소모 절감을 통해 에너지 및 환경분야에도 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.