국내 연구팀이 합금 촉매의 화학반응을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다.
KAIST EEWS 대학원 박정영·정유성 교수 연구팀은 합금 촉매 표면에서 벌어지는 화학 반응 과정을 실시간으로 관찰해 합금 촉매의 반응성 향상과 직결된 반응 원리를 밝혀내는 데 성공했다.연구 성과는 종합 과학 분야 국제 학술지인 사이언스 어드밴시스에 지난 13일 자 온라인 판에 게재됐다.

합금 촉매는 단일 금속 또는 금속 산화물 촉매에 비해 뛰어난 성능을 보여 연료전지반응이나 탄소계열 공업화학반응 등에 이용된다. 그러나 합금 촉매 반응의 결과에 대한 근본적인 원리는 자세히 밝혀지지 않아 촉매 연구 과정에서 발생하는 예상치 못한 결과가 도출되기도 한다.

이에 연구팀은 기존 표면 직접 관찰 기기의 한계점을 크게 개선한 상압 주사 터널링 전자 현미경과 상압 X-선 광전자분광기를 활용, 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 시작된다는 것을 규명했다. 또 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. 결과는 밀도범함수 이론을 바탕으로 한 양자역학 모델링 계산 결과로 입증됐다. 연구를 통해 합금 촉매의 예상치 못한 결과 도출을 줄이고 다양한 합금 촉매의 설계가 더욱 최적화된다.

연구팀은 다양한 종류의 실제 반응 환경에 근접한 촉매 표면 반응을 연구할 계획이다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com