KAIST 화학과 박정영, 신소재공학과 정연식, 생명화학공학과 정유성 교수 공동연구팀이 촉매의 선택도를 핫전자와 금속-산화물 계면을 통해 제어할 수 있다는 개념을 정립해 지구온난화의 주범인 온실가스의 생성을 줄이는 연구에 성공했다.
에너지 사용량 절감과 친환경 화학 공정 개발을 위해서는 새로운 고효율 촉매 소재 개발이 필수적이다.
친환경 화학을 위한 촉매는 원하는 생성물에 대해 높은 선택성을 가진 재료로 설계돼야 한다.
화학 촉매 반응 중 알코올의 선택적 산화는 에너지 변환 및 화학 합성에서 중요한 변환 과정이다.
특히 메탄올의 부분 산화를 통해 생성되는 메틸 포르메이트는 포름알데히드 및 포름산 등 화학 물질의 화학연료로 사용되는 고부가 가치 생성물이다.
지구온난화 주범인 이산화탄소의 저감과 고부가 가치 화학연료 생성의 향상을 위해서는 열역학적인 장벽을 뛰어넘어 높은 선택도를 가지는 우수한 성능의 촉매 개발이 필요하다.
공동연구팀은 이를 해결하는 방안으로 백금 나노선을 티타늄 산화물에 접합시켜 `금속 나노선-산화물 계면'이 정밀하게 제어되는 신개념의 촉매를 개발했다.
나아가 금속 나노선-산화물 계면 기반의 `핫전자 촉매소자'를 활용해 실시간으로 핫전자의 이동을 관찰했다.
연구팀은 금속-산화물 계면이 형성되면 메틸 포르메이트의 생성효율이 향상되는 동시에 이산화탄소의 생성이 현저히 감소하는 점을 밝혀냈다.
높은 선택도는 촉매 표면에 형성된 계면에서의 증폭된 핫전자의 생성과 연관됐음도 규명했다.
또 계면에서의 증가된 촉매 성능을 실험뿐 아니라 이론적으로도 입증했다.
연구팀은 금속 나노선-산화물 계면에서의 증폭된 촉매 선택도가 계면에서의 완전히 다른 촉매 반응 메커니즘에서 기인하는 것임을 양자역학 모델링 계산 결과 비교를 통해 증명했다.
이번 연구로 핫전자와 금속 나노선-산화물 계면을 이용해 온실가스인 이산화탄소의 생성을 줄이고 고부가 가치 화학연료의 생성을 증대시킬 수 있음이 확인됐다.
촉매의 선택도를 핫전자와 금속-산화물 계면을 통해서 제어할 수 있다는 개념을 통해 에너지 전환 및 차세대 촉매 개발에 이용할 수 있고 온실가스의 저감 등의 응용성을 예상했다.
연구팀은 "기존의 촉매 소자 시스템에서는 기술적으로 어려웠던 금속-산화물 계면에서의 핫전자 검출을 아주 정밀한 나노선 프린팅 기술로 인해 가능하게 만든 연구"라며 "이 기술은 향후 다양한 차세대 하이브리드 촉매 개발에 활용할 수 있을 것ˮ이라고 기대했다.
또 "촉매 화학 반응에서의 선택도를 높이기 위해 금속-산화물 계면이 중요한 역할을 할 수 있음을 실험적 관찰과 이론적인 양자 계산을 통해 증명한 연구"라며 "불균일 촉매를 이용한 화학 공정 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대 된다ˮ고 밝혔다.
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