IBS 박정영 연구팀 촉매 나노다이오드 이용…핫전자 흐름 검출
핫전자는 광 흡수, 분자 흡착, 촉매반응 등의 외부 에너지가 물질 표면에 전달될 때 에너지 전환과정에 의해 에너지를 갖게 되는 전자를 말한다. 핫전자에 대한 이해는 나노촉매에서의 화학적 현상 규명은 물론 차세대 촉매 개발에 있어 중요하다.
그동안 나노촉매 표면에선 발열반응에 의해 발생한 화학에너지가 전기적·열적 에너지 소모과정을 수반하며 촉매표면으로 전달된다고 알려졌다. 하지만 전기적 에너지 소모과정 중에 발생한 핫전자는 수명이 매우 짧아 이를 검출·측정하는데 한계가 있었다.
연구팀은 나노촉매 표면의 화학반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 촉매 나노다이오드를 개발해 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자가 효과적으로 화학전류로 검출된다는 것을 확인했다.
촉매 나노다이오드를 이용해 핫전자의 흐름을 측정한 결과 나노입자의 크기가 1.7㎚(나노미터)인 경우 4.2㎚ 크기의 촉매보다 촉매활성도가 50% 증가했고 화학전류 생성효율도 5배 높았다.
이와 함께 수소 산화반응 중 금속 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자 흐름을 검출하고 나노입자의 크기에 따른 촉매활성도와 촉매 에너지 변화를 정량적으로 비교하는데 성공했다.
그동안 관찰이 어려웠던 나노촉매 위에 생성되는 핫전자를 측정함에 따라 고효율 나노촉매 개발과 다양한 친환경 에너지 저장·전환시스템 연구가 탄력을 받을 것으로 연구팀은 기대하고 있다.
박 그룹리더는 “나노물질 표면에서 일어나는 화학촉매와 핫전자 간 반응 메커니즘의 이론적 기반을 마련했다”며 “핫전자를 이용한 연구를 통해 에너지·환경 분야에도 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemi International Edition) 2월 4일자 온라인판에 게재됐고 논문의 혁신성을 인정받아 2월 28일자 저널의 속표지에도 실릴 예정이다.
유주경 기자 willowind@ggilbo.com