UNIST(울산과학기술원) 홍성유·얀 로데 교수 연구팀이 귀금속 촉매를 사용하지 않고도 반응 단계를 줄이는 정밀 합성법 개발에 성공했다.
이번 연구를 통해 정밀화합물과 차세대 고분자·에너지 소재로 주목받는 ‘질소 함유 나노 그래핀 조각’을 라디칼 연쇄 반응으로 합성했다.개발된 합성법은 라디칼이 촉매 역할을 대신해 고가의 희귀 금속 촉매를 사용하지 않아도 된다.
라디칼은 홀 전자를 갖는 물질의 총칭이다.
홀 전자의 짝을 이루려는 성질 때문에 반응성이 뛰어나 촉매 역할을 대신할 수 있다.
촉매 효율을 높이기 위해 탄소 고리에 화학 작용기를 붙이는 전 처리 과정이 필요한 기존 방법을 뛰어 넘어 전 처리도 필요 없다.
연구팀은 신규 합성법을 통해 아진 계열 분자(탄소 고리에 질소가 끼어 있는 분자)와 디아릴요오도늄염을 화학적으로 조립해 질소 함유 나노그래핀 조각을 합성해냈다.
라디칼 홀 전자의 존재를 직접 관측할 수 있는 분광기법 분석을 통해 정확한 합성 과정도 규명했다.
이번 연구는 낮은 반응성을 갖는 아진 전구체를 라디칼 반응을 이용해 귀금속(팔라듐) 촉매 사용을 배제할 수 있는 만큼 새로운 화학 합성개발에도 활용될 수 있을 것으로 전망되고 있다.
연구팀은 “원료를 잘게 분해해 내려오는 방식보다 훨씬 정교하면서도 시간과 비용이 많이 드는 까다로운 단계적 반응 없이 한 단계 반응만으로 질소 함유 나노 그래핀 조각을 만들 수 있는 합성법이다”고 밝혔다.
또 “홀 전자의 존재를 직접 관측할 수 있는 전자 상자기 공명법으로 연쇄 라디칼 반응으로 이뤄진 합성법의 원리도 밝혀낼 수 있었다”고 부연했다.
연구 결과는 다학제 분야 전문 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
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