IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 부연구단장 연구팀은 KAIST 정유성 교수(EEWS 대학원)와 함께 합금 촉매의 뛰어난 반응 원리를 규명할 현상을 관찰하는데 성공했다. 연구팀은 합금 촉매 표면에서 벌어지는 화학 반응을 실시간으로 관찰했다. 실제 반응 환경에서 합금 촉매 반응을 관찰한 첫 사례다.

합금 촉매 반응성을 끌어올릴 수 있는 반응 원리를 살펴본 이번 연구는 향후 고성능 촉매 설계에 크게 활용될 것으로 기대된다. 또한 실험결과의 입증뿐만 아니라 이론적 원리까지 설명해 합금 촉매와 금속-산화물 계면 나노 구조 형성의 연결고리를 과학적으로 규명했다.

합금 촉매는 단일 금속이나 금속 산화물 촉매에 비해 뛰어난 성능을 가졌다. 연료전지나 탄소계열 공업화학 반응에 널리 이용되는 이유다. 그러나 합금 촉매 반응이 일어나는 근본적인 원리는 자세히 밝혀지지 않아 연구 중 나오는 예상치 못한 결과를 설명하는데 어려움이 있었다.

연구진은 흔히 쓰이는 백금-니켈 합금촉매¹⁾를 사용해 연구를 진행했다. 이번 연구에서 연구진은 초고진공 환경을 기반으로 했던 기존의 표면 관찰 기법의 한계를 넘어 상압의 실제 환경²⁾에서 합금 촉매의 표면을 관찰하는데 도전했다. 상압 주사 터널링 주사 현미경과 상압 X선 광전자분광기를 이용한 결과 백금-니켈 합금 촉매 표면의 역동적인 변화 과정을 포착하는데 성공했다.

▲ 주사 터널링 전자 현미경을 이용해 관찰한 표면. 연구진은 백금-니켈 촉매 표면의 초고진공, 상압 일산화탄소, 상압 산소, 일산화탄소 산화 반응 환경에서 실시간 표면을 직접 관찰하는데 성공했다.

연구를 통해 연구진은 촉매 반응 중 현성되는 금속-산화물 계면 나노구조가 반응물의 흡착을 선택적으로 유도해 촉매의 반응성 향상에 기여할 수 있음을 발견했다. 백금-니켈 합금촉매를 이용해 실제 화학 반응환경에서 형성되는 금속-산화물 계면 나노구조가 촉매 반응성 향상에 결정적인 영향을 준다는 사실을 규명한 것이다.

또한 일산화탄소 산화반응 과정에서 백금 혹은 니켈 산화물 단일 촉매에 비해 금속-산화물 계면 나노구조가 비교적 낮은 활성화 에너지를 갖는 것을 관찰했다. 촉매 반응 원리 상 반응성 향상에 있어 금속-산화물 계면 나노구조가 보다 유리한 화학 반응 경로를 제시할 수 있음을 확인한 것이다.

▲ 상압 일산화탄소 산화 반응 환경에서의 시간에 따른 표면의 이미지들과 온도 변화에 따른 상압 광전자분광 분석 결과

실험결과와 함께 이론적인 원리 규명도 제시했다. KAIST 정유성 교수 연구팀은 밀도범 함수 이론을 바탕으로 한 양자역학 모델링 계산 결과로 실험 내용을 입증했다. 정유성 교수는 "실험과 이론 영역의 연구로 합금 촉매의 주된 활성화 요인이 계면임을 규명했다"며 "연구 결과는 다양한 합금 촉매를 설계하고 최적화시키는데 중요한 단서가 될 것이다"고 말했다.

▲ 연구진은 밀도범함수 양자모델 계산법을 이용해 백금-니켈 촉매 표면에 형성된 금속-산화물 계면 나노구조에서 일산화탄소 산화 반응을 관찰했다. 표면 에너지 변화를 살펴본 결과, 합금 촉매의 활성화 에너지가 상대적으로 더 낮은 수준을 유지함을 확인했다.

이번 연구를 이끈 박정영 부연구단장은 "초고진공 환경 기반의 기존 연구에서는 풀지 못했던 실제 반응 환경에서의 합금 촉매 반응을 처음으로 직접 관찰했다는데 큰 의의가 있다"며 "이번 연구는 촉매 반응 중 발생하는 핫전자와 반응 관계를 규명하는 촉매 전자학 연구와 밀접한 관계를 갖고 있다"고 밝혔다. 연구진은 추후 촉매 반응 향상도를 높일 수 있는 방법과 백금-니켈 합금 촉매 외 다양한 촉매의 실제 환경에서의 표면 반응을 연구할 계획이다.

광주과학기술원(GIST) 물리․광과학과 문봉진 교수 연구팀도 함께 참여한 이번 연구는 종합 과학 분야 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 7월 13일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : 국, 영문 전부 명시 요청드림). 이번 연구는 IBS, 한국연구재단, GIST 등의 지원으로 수행되었다.

IBS 커뮤니케이션팀
고은경