원자 하나가 촉매가 되다

KAIST 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀, 그래핀 기반 단일 원자 촉매 개발

KAIST 김상욱 교수, 김인호 박사 ⓒKAIST

단일 원자 촉매란 원자 단위의 촉매 활성 부위의 조절을 위해 제조된 촉매 소재로서, 다양한 고효율의 화학 반응을 가속화시킬 수 있는 미래의 신소재로 각광받고 있다. KAIST 김상욱 교수 연구팀은 지난 2010년 물리학과 김용현 교수의 이론연구팀과 공동연구를 통해 세계 최초로 단일 원자촉매(Single atom catalyst)를 개발하는 데 성공하기도 했다.

이러한 연구성과로 ‘최초연구’의 성과를 인정받아 미국화학회(American Chemical Society)의 신소재 분야 연구 동향 학술지 `어카운츠 오브 매터리얼 리서치(Accounts of Material Research)’에 특별 초청 리뷰 논문을 표지 논문으로 게재됐다.

논문명 : Discovery of Single-Atom Catalyst: Customized Heteroelement Dopants on Graphene

그래핀 기반 단일 원자 촉매의 개발

촉매는 소량의 첨가만으로 다양한 화학반응의 효율을 높이는 소재를 의미하며, 최근 그 중요성이 급속하게 커지고 있는 에너지, 환경 및 바이오/헬스 분야에서 핵심적인 요소로서 큰 관심을 끌고 있다. 대표적인 예로서 수소연료전지의 에너지 변환반응이나 환경친화적인 수소연료 생성반응 등에서 백금이나 희토류등 값비싼 촉매를 대체하기 위한 연구가 전 세계 신소재 연구의 화두가 되고 있다.

일반적인 촉매는 그 표면에서 화학반응을 일으키는데, 이상적으로는 단일 원자가 촉매가 된다면 같은 양의 촉매로 최대 효율을 낼 수 있으며 이를 세계 최초로 실현한 것이 김상욱, 김용현 교수팀이 개발한 단일 원자 촉매의 개념이다.

단일 원소 촉매 개발은 촉매의 활용 범위와 효율을 모두 증대시킬 수 있는 신소재로 각광받고 있지만, 원자 단위의 크기로 인한 매우 큰 표면 에너지로 인해 입자나 클러스터로 뭉치기 쉽다. 이를 위해 최적화된 지지체를 적용해야 안정하고 균일한 활성 원자가 분포된 단일 원소 촉매가 실현 가능하다. 이러한 지지체 중 하나가 바로 널리 활용되고 있는 꿈의 소재, 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조인 그래핀이다.

단일 원자 촉매의 표면에서의 화학 구조에 차이에 대한 비교 모식도. (상) 단일 원자의 직접 활성화, (하) 단일 원자의 주변 원소에 의한 간접 활성화 ⓒKAIST

김상욱 교수 연구팀은 탄소나노튜브를 화학적으로 성장시키는 과정에서 철(Fe) 원자가 우리 혈액 속의 헤모글로빈 구조와 유사한 단원자 혼성구조를 생성함을 발견하고, 한 개의 원자에 기반한 새로운 연료 전지 촉매를 제시한 것이다. 해당 촉매는 입자 응집으로 인해서 수명이 짧은 기존의 백금 촉매의 한계를 극복할 수 있는 새로운 촉매의 형태로 주목을 받았다.

고효율 단일 원자 촉매 개발로 미래 산업에서 상용화 기대

김 교수 팀의 연구 이후 최근에는 전 세계의 많은 연구 그룹들이 단일 원자촉매 연구에 뛰어들고 있으며, 새로운 고효율 촉매를 개발하기 위해 가장 전망이 밝은 분야로 각광받고 있다.

김상욱 교수는 “이번에 출판된 총설에는 그래핀과 같은 나노소재에 금속원소를 도핑하는 방식에서 시작된 단일 원자 촉매의 제조부터 구조와 물성, 그리고 응용까지 망라한 최신 연구 동향들이 잘 정리돼 있다ˮ며, “앞으로 해당 분야 연구에 심도 있는 통찰을 제시하길 희망하여, 향후 고효율 단일 원자 촉매 상용화의 시발점이 될 것이다ˮ라고 이번 논문의 의의를 설명했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 김상욱 교수는 국내에서 유일하게 이 권위 있는 학술지의 편집위원으로 활동하고 있다.

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