UNIST 주상훈 교수팀, KAIST 김형준 교수팀, 포항방사광가속기 이국승 박사팀 등 공동
울산과학기술원(UNIST) 화학과 주상훈 교수팀과 KAIST 화학과 김형준 교수팀, 포항방사광가속기의 이국승 박사팀 등 국내 공동연구팀이 귀금속을 잘게 쪼개 쓸 수 있는 단원자 촉매 합성 기술을 새롭게 개발했다.
단원자 촉매는 금속 원자가 지지체 표면에 하나씩 흩뿌려진 형태의 촉매이다.
금속 원자 각각을 모두 반응점으로 활용할 수 있어서 같은 중량의 귀금속을 쓰더라도 더 효율적이다.
문제는 단원자 촉매가 촉매 활성, 선택성과 같은 반응성 조절이 까다롭다는 점이다.
중심금속을 감싼 분자나 이온인 리간드(ligand) 종류를 자유롭게 조절하기 힘들기 때문이다.
단원자 촉매의 반응성은 중심 금속과 리간드가 결합해 이루는 배위구조에 매우 민감한 특성이 있다.
연구팀은 리간드 종류를 쉽게 바꾸는 단원자 촉매 합성 방법을 개발했다.
촉매 합성 과정에서 금속 전구체에 남아 있는 리간드를 다른 종류의 리간드로 교환하는 방식이다.
실제 백금족 귀금속인 로듐(Rh)에 결합한 잔여 리간드(CO)를 다른 리간드(NHx)로 교환했을 때 산소환원 반응에 대한 촉매 활성(반응속도)은 최대 30배까지 차이가 났고, 반응 선택도 3배 차이를 보였다.
단원자 촉매는 리간드로 둘러싸인 금속 전구체를 지지체에 고정시킨 뒤 전구체 리간드를 제거해 합성한다.
기존에는 금속과 지지체간 결합을 조절해 배위구조를 바꾸려는 시도가 많았다.
이번에 개발된 합성 방법은 리간드를 여러 번 반복해서 교체할 수 있어 조절된 배위 구조를 재조정할 수도 있다.
이에 따라 원하는 반응성을 얻기 위해 여러 번의 시행착오를 거쳐야 하는 기존 방식과 달리 금속 전구체의 잔여 리간드를 바꾸는 새로운 방식으로 배위구조를 조절할 수 있게 됐다.
또 다양한 금속 원소와 담체 물질을 이용한 촉매 개발에도 응용될 수 있을 것으로 전망된다.
UNIST 주상훈 교수는 “미래 화학 기술의 핵심 소재인 단원자 촉매 개발을 위해 단원자 촉매만의 독특한 성질을 이해하는 것이 중요하다”며 “이번 연구로 단원자 촉매의 잔여 리간드가 촉매의 반응 활성과 선택성에 영향을 미친다는 사실이 밝혀져 단원자 촉매 개발에 탄력을 받게 됐다”고 말했다.
이번 연구는 화학 분야 권위지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 8월 4일자로 온라인 출판됐다.
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