KAIST(총장 신성철) EEWS 대학원 박정영, 정유성 교수 연구팀이 합금 촉매 표면에서 벌어지는 화학 반응 과정을 실시간으로 관찰해 합금 촉매의 반응성 향상과 직결된 반응 원리를 규명했다.

연구팀의 관찰 결과는 차세대 고성능 촉매 설계에 활용할 수 있는 반응성 향상 원리의 기반이 될 것으로 기대된다.

GIST(총장 문승현) 물리ㆍ광과학과 문봉진 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구 결과는 종합 과학 분야 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 7월 13일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Adsorbate-driven reactive interfacial Pt-NiO_1-x nanostructure formation on the Pt₃Ni(111) alloy surface, 백금-니켈 합금 표면위의 촉매 활성도가 높은 금속-산화물 경계 나노구조물 형성의 실시간 관찰)

합금 촉매는 단일 금속 또는 금속 산화물 촉매에 비해 뛰어난 성능을 보여 연료전지반응이나 탄소계열 공업화학반응 등에 이용되고 있다. 하지만 합금 촉매 반응의 결과에 대한 근본적인 원리는 자세히 밝혀지지 않아 촉매 연구 과정에서 발생하는 예상치 못한 결과를 설명하기 어려웠다.

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 촉매¹⁾ 표면의 역동적인 변화 과정을 관찰했다.

이를 통해 실제 반응 환경에서 백금-니켈 합금 촉매의 반응성 향상 이유가 금속-산화물 계면 나노구조²⁾의 표면 형성으로부터 시작됨을 밝혀냈다.

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 있음을 확인했다.

이 결과는 밀도범함수 이론을 바탕으로 한 양자역학 모델링 계산 결과를 통해 입증됐다.

박정영 교수는 "초고진공³⁾ 환경을 기반으로 한 기존의 표면 과학이 풀지 못한 실제 반응 환경에서의 합금 촉매 반응 과정을 직접 관찰한 첫 연구사례이다"며 "합금 촉매의 계면이 촉매 향상도를 높일 수 있고, 현재 진행 중인 촉매전자학⁴⁾ 연구와도 밀접한 관계를 가지고 있다. 다양한 종류의 실제 반응 환경에 근접한 촉매 표면 반응을 연구할 계획이다."고 말했다.

이론적 원리 규명 연구를 주도한 정유성 교수는 "직접 관찰과 양자 계산을 통해 합금 촉매의 주된 활성 자리가 계면임을 규명한 연구로, 다양한 합금 촉매의 설계 및 최적화에 중요한 단서가 될 것이다"고 말했다.

상압 표면 분석을 주도한 GIST 문봉진 교수는 "이 연구는 외부의 분자들과 쉴 새 없이 반응하면서 움직이는 마치 살아서 숨쉬고 있는 원자의 움직임과 반응성을 동시에 측정한 완벽한 표면물리연구이다"고 말했다.

이번 연구는 기초과학연구원 및 한국연구재단, GIST(광주과학기술원) 등의 지원을 받아 수행됐다.

그림설명

▲ 그림 1. 주사 터널링 전자 현미경을 이용한 백금-니켈 촉매 표면의 초고진공, 상압 일산화탄소, 상압 산소, 일산화탄소 산화 반응 환경에서의 실시간 표면 직접 관찰 이미지

▲ 그림 2. 상압 일산화탄소 산화 반응 환경에서의 시간에 따른 표면 직접 관찰 이미지들과 온도의 변화에 따른 상압 광전자분광 분석 결과

▲ 그림 3. 밀도범함수 양자모델 계산 방법을 이용한 백금-니켈 촉매 표면에 형성된 금속-산화물 계면 나노구조에서의 일산화탄소 산화 반응 경로에 따른 표면 에너지 변화