국내연구진이 그래핀^*을 이용한 핫전자^** 촉매센서 개발에 성공, 차세대 나노촉매 개발에 탄력을 받을 전망이다.

* 그래핀(graphene)은 탄소원자들이 육각형 그물모양으로 연결돼 평면을 이룬 2차원 물질로, 그 두께가 0.2nm(즉 100억분의 2m)로 굉장히 얇음에도 불구하고 매우 우수한 전기적, 열적, 화학적 특성을 갖춰 핫전자 검출에 유리하다.
** 핫전자는 촉매 표면의 자유전자가 화학반응 과정에서 외부의 에너지를 얻어 이탈해 발생하는 것으로, 화학에너지의 일부가 전기에너지로 방출되는 과정에서 나타난다. 촉매 활성도가 증가함에 따라 그 양이 증가한다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡) 그룹리더 박정영 교수(KAIST EEWS^*대학원 교수) 연구진은 그래핀 핫전자 촉매센서를 개발, 백금나노촉매에서 발생하는 핫전자를 정밀하게 관측하는데 성공했다.

* Energy, Environment, Water and Sustainability

핫전자는 화학반응 중 촉매 표면에서 발생하며, 촉매의 근본적인 작동원리를 규명하는데 매우 중요하나 그 수명이 펨토초(1000조 분의 1초)에 불과해 촉매반응 환경에서의 검출이 어려웠다.
이에 연구진은 그래핀을 활용하여 백금 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자를 간단한 전기적 신호로 검출하는데 성공했다.
이번 연구로 핫전자의 거동을 가시적으로 관찰하고 그 특성을 규명해낼 수 있게 돼, 차세대 촉매를 설계하고 분석하는데 획기적인 전환점을 맞이할 것으로 예상된다.

연구진이 이번에 구현한 핫전자 촉매센서는 그래핀을 활용해 기존 금박막을 이용한 촉매센서 대비 핫전자 검출 효율 및 정밀도를 비약적으로 끌어올렸다.
이산화티타늄(TiO₂) 위에 금보다 전기적 특성이 뛰어난 그래핀을 입혀 촉매물질과의 에너지장벽을 낮춰, 다수의 핫전자가 이동할 수 있게 해 검출도와 정밀도를 높혔다.
수소(H₂)와 산소(O₂)를 반응시켜 물(H₂O)을 만드는 수소산화반응에서 그래핀 핫전자 촉매센서를 이용해 측정한 핫전자 방출값이, 기체크로마토그래피로 측정한 촉매활성도 결과값과 서로 동일한 경향을 보임을 확인하였다.
특히, 온도와 수소분압에 따라 핫전자와 촉매활성도가 유사한 변화추이를 보임을 관측하고, 이를 통해 측정한 실험 도출값이 이론값과 일치함을 증명해냈다.

박정영 그룹리더(KAIST EEWS대학원 교수)는 “원자 한층으로 이루어진 그래핀을 이용하여 촉매반응에서 나오는 핫전자를 정밀하게 측정할 수 있었다. 그래핀 핫전자 촉매센서는 기술적 한계로 어려움이 있었던 핫전자와 촉매특성간의 관계를 정량적으로 분석하기에 충분하다” 라며 “향후 고효율 차세대 나노촉매 물질 개발에 중요한 척도가 될 것”이라고 전했다.

본 연구성과는 세계적인 학술지 나노 레터스(Nano Letters, IF 13.592)에 2월 24일자로 온라인 게재되었다.

• * (논문제목) Graphene-Semiconductor Catalytic Nanodiodes for Quantitative Detection of Hot Electrons Induced by a Chemical Reaction
• * 제 1저자 : IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 박사과정생, KIAST EEWS 대학원 이효선
• * 교신저자 : IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더, KIAST EEWS 대학원 박정영 교수

▲ '그래핀 핫전자 촉매센서'의 모식도

▲ 그래핀 핫전자 촉매센서와 수소, 산소를 이용해 물을 만드는 수소산화반응

▲ 그래핀 핫전자 촉매센서에서 검출한 핫전자와 촉매활성도와의 상관관계 및 핫전자 측정 원리