오늘날 우리들은 체중감량을 위해 저녁 한 끼를 거를지 말지는 고민해도, 먹거리가 없어 끼니를 어떻게 이을지를 고민하진 않는다. 우리 할아버지 세대가 힘겹게 보릿고개를 넘던 것이 불과 50년 전임을 실감하기는 쉽지 않다. 전쟁과 독재같은 특수한 상황만 제외하면 적어도 먹거리에 있어서는 부족함이 없는 시대를 우리는 살아가고 있다. 그런데 이런 풍요의 시대가 시작된 것이 불과 한 세기 전이었다면, 쉽게 믿음이 가는가?

소위 '녹색혁명'이 가져온 현재의 풍요로움은, 제 1차 세계대전을 앞둔 1914년 독일에서 두 명의 화학자 프리츠 하버와 카를 보슈가 이룩한 업적으로 시작했다. 이들은 농작물 생장에 필수적인 질산염을 화학적으로 양산할 수 있는 '하버-보슈 공정'을 개발, 퇴비를 대신할 질소비료의 대량생산을 가능케 했다. 하버-보슈 공정의 핵심이 바로 철(Fe) 촉매로, 이를 활용해 대기 중에 풍부한 질소를 질산염의 일종인 암모니아로 합성할 수 있게 됐다. 이는 대표적인 촉매 사용 사례로 꼽히는데, 실제 오늘날 가동 중인 전 세계 화학공정의 85% 이상에 촉매반응이 활용될 정도로, 촉매는 인류의 생존과 번영에 필수적인 물질로 자리잡았다.

촉매란 화학반응에 관여해 반응 속도를 빠르게 혹은 느리게 하는 물질이다. 반응 생성물에는 영향을 미치지 않으며, 전체 반응 시간과 에너지 소모를 획기적으로 줄여 공정의 경제성을 높인다. 원유 정제, 플라스틱 합성 등 다양한 화학공정에서 반응 효율을 높여 작업시간을 줄이고 비용을 낮추는데 활용된다.

최근 청정 동력원으로 떠오른 수소연료전지, 이산화탄소 제거를 위한 인공광합성 장치 등 새로운 환경기술영역에서도 큰 역할이 기대됨에 따라, 학계에서는 고효율 촉매 개발을 위해 촉매의 작동원리를 규명하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 반응 시 촉매에서 발생하는 '핫전자'¹⁾가 촉매의 원리를 규명할 수 있는 열쇠로 주목받고 있다.

▲ 과산화수소수 안에 실리콘(Si) 위에 나노촉매 금속이 접합되어 반응을 촉진하고 있다.
촉매에서 발생한 핫전자가 전류로 검출

IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 그룹리더(KAIST EEWS대학원 교수) 연구진은 과산화수소 수용액에 금속 나노²⁾ 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 전위장벽³⁾을 생성했다. 이후 촉매반응으로 만들어진 핫전자가 전위장벽을 넘어 전류로 흐르는 것을 측정, 액체 내 촉매반응에서 생긴 핫전자를 검출했다. 연구진은 반응에서 생긴 산소 기체를 기체크로마토그래피⁴⁾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.

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

연구진은 앞서 그래핀을 이용한 핫전자 촉매센서를 개발, 수소산화반응시 백금 나노촉매 표면에서 발생하는 핫전자를 처음으로 검출하는 데 성공한 바 있다. 당시 기체-고체 계면⁵⁾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.

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

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.