촉매¹⁾는 원유 정제, 플라스틱 합성 등 다양한 화학공정에서 반응 효율을 높여 작업시간을 줄이고 비용을 낮춰주는 핵심물질이다. 청정 동력원으로 떠오른 수소연료전지, 이산화탄소 제거를 위한 인공광합성 장치 등 새로운 환경기술영역에서도 큰 역할이 기대되고 있다. 학계에서는 고효율 촉매 개발을 위해 촉매의 작동원리를 규명하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 반응 시 촉매에서 발생하는 '핫전자'²⁾가 촉매의 원리를 규명할 수 있는 열쇠로 주목받고 있다.

미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡) 박정영 그룹리더(KAIST EEWS대학원 교수) 연구진은 과산화수소 수용액에 금속 나노³⁾촉매를 넣어, 액상 환경 속 촉매반응에서 핫전자를 검출하고 전류를 측정하는 데 성공했다. 대다수 상용 화학공정과 동일한 액체 환경에서 핫전자를 검출해낸 것은 이번이 처음이다.

연구진은 나노 두께의 금속박막 촉매를 실리콘 기판 위에 붙여, 둘 사이에 낮은 전위장벽⁴⁾을 생성했다. 이후 촉매반응으로 만들어진 핫전자가 전위장벽을 넘어 전류로 흐르는 것을 측정, 액체 내 촉매반응에서 생긴 핫전자를 검출했다. 연구진은 반응에서 생긴 산소 기체를 기체크로마토그래피⁵⁾로 분석, 핫전자 측정값으로 계산해 낸 이론값이 실제 실험값과 일치함을 확인했다.

특히, 금속박막 나노촉매의 소재를 백금, 금, 은으로 다양화하고, 박막 두께와 과산화수소 수용액의 농도를 조절, 다양한 조건에서 핫전자 전류를 측정함으로써, 액상 환경의 고체 촉매 반응 원리 규명에 한 발짝 더 다가섰다.

연구진은 앞서 그래핀을 이용한 핫전자 촉매센서를 개발, 수소산화반응시 백금 나노촉매 표면에서 발생하는 핫전자를 처음으로 검출하는 데 성공한 바 있다. 당시 기체-고체 계면⁶⁾에서 발생한 핫전자 검출 효율은 1% 미만에 그쳤으나, 이번 액상 환경에서의 검출 효율은 훨씬 높은 10%에 달했다. 이에 액상 환경의 핫전자 검출기술이 보완돼 고온·고압 환경에 적용된다면, 에너지 및 환경 분야를 포함한 화학산업 전반의 고효율 나노촉매 개발이 활기를 띌 전망이다.

박정영 그룹리더는 "액체에서 작동하는 '촉매 핫전자 탐지기'를 이용해, 액상 촉매 반응 핫전자를 세계 최초로 검출했다"라며 "핫전자 검출 효율이 기상 화학반응보다 액상 화학반응 시 월등히 높아, 촉매 작동 원리 규명이 가능해졌다. 이로써 새로운 형태의 고효율 나노촉매 시스템 개발을 앞당길 것"이라고 전했다.

본 연구성과는 세계적인 학술지 안게반테 케미(Angewandte Chemi International Edition, IF 11.261)에 7월 4일자로 온라인 게재되고, 그 중요성을 인정받아 표지(Front Cover)논문으로 선정되었다.

▲ 은나노촉매 표면에서 과산화수소 분해 촉매 반응 중에 발생하는 핫전자의 측정 원리 및 모식도

▲ 다양한 나노 촉매 다이오드에서 측정된 화학 전류와 촉매 물질의 두께와의 상관관계