[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 연구진이 합금 촉매 표면에서 벌어지는 화학 반응 과정을 실시간으로 관찰, 차세대 고성능 합금 촉매를 설계하고 최적화하는 데 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 

14일 KAIST(한국과학기술원)에 따르면 이 대학 EEWS대학원 박정영·정유성 교수 연구팀은 합금 촉매의 반응성 향상과 직결된 반응 원리를 규명했다 

GIST(광주과학기술원) 물리·광과학과 문봉진 교수팀과 공동 수행한 이번 연구는 초고진공 환경을 기반으로 한 기존 표면 과학이 풀지 못한 실제 반응 환경에서의 합금 촉매 반응 과정을 직접 관찰한 첫 연구사례로 평가된다. 

KAIST(한국과학기술원) EEWS대학원 박정영(왼쪽)·정유성(가운데) 교수, GIST(광주과학기술원) 물리·광과학과 문봉진(오른쪽) 교수 [사진=KAIST]

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 촉매 표면의 역동적인 변화 과정을 관찰했다. 

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

또한 일산화탄소 산화반응 과정에서 백금 또는 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. 

주사 터널링 전자 현미경을 이용한 백금-니켈 촉매 표면의 초고진공, 상압 일산화탄소, 상압 산소, 일산화탄소 산화 반응 환경에서의 실시간 표면 직접 관찰 이미지 [자료=KAIST]

박정영 교수는 “합금 촉매의 계면이 촉매 향상도를 높일 수 있고 현재 진행 중인 촉매전자학 연구와도 밀접한 관계를 갖고 있다. 다양한 종류의 실제 반응 환경에 근접한 촉매 표면 반응을 연구할 계획”이라고 말했다. 

이번 연구결과는 종합 과학 분야 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 7월13일자 온라인판에 게재됐다. 

정확한 논문명은 ‘백금-니켈 합금 표면위의 촉매 활성도가 높은 금속-산화물 경계 나노구조물 형성의 실시간 관찰(Adsorbate-driven reactive interfacial Pt-NiO1-x nanostructure formation on the Pt3Ni(111) alloy surface)'이다. 

kimys@newspim.com