나모촉매 표면 화학전류 측정…고효율 촉매 개발?

국내연구팀 규명

▲나노촉매를 전기적으로 연결시킨 새로운 촉매 나노다이오드를 이용해 나노촉매에서 발생하는 핫전자의 흐름(화학전류)을 검출하는데 성공했다.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자] 국내 연구팀이 세계 최초로 나노촉매 표면의 화학전류 측정에 성공해 관심이 집중되고 있다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡) 박정영 그룹리더(KAIST EEWS대학원 교수) 연구팀이 촉매 나노다이오드를 이용해 세계 최초로 나노촉매가 반응할 때 표면에서 발생하는 화학전류를 측정하는데 성공했다고 15일 발표했다. 이번 연구는 관찰이 어려웠던 나노촉매 위에 생성되는 핫전자(Hot Electron)를 측정하고 중요성을 이해한 점에서 큰 의미가 있다. 핫전자를 이용한 고효율 나노촉매 개발과 다양한 친환경 에너지 저장, 전환시스템 연구에 도움이 될 것으로 기대된다.

연구팀은 나노촉매 표면의 화학반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 촉매 나노다이오드 장치를 새롭게 개발해 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자가 효과적으로 화학전류로 검출됨을 확인했다. 나노촉매 분야는 넓은 표면적과 높은 반응성을 갖고 있어 꾸준히 연구되고 개발돼 왔다. 표면에서 분자의 탈착과 활성을 일으키는 기초현상인 핫전자의 수명이 매우 짧아 이를 측정하는데 큰 어려움이 있었다.

연구팀이 개발한 새로운 촉매 나노다이오드는 얇은 금속 박막과 반도체로 이뤄진 나노다이오드 표면 위에 콜로이드 합성법으로 제작한 백금 나노입자(1.7 나노미터와 4.5 나노미터 크기)를 랑뮤어 블라짓 기법을 통해 제작됐다. 이를 이용해 나노입자에서 발생하는 핫전자의 흐름을 측정하는데 성공한 것이다. 콜로이드 합성법은 금속염과 안정제가 함께 용해돼 있는 용매에 환원제를 투입 또는 혼합해 나노입자를 제작하는 방법으로 제작과정의 여러 인자를 바꿈으로서 입자의 크기와 모양, 성분의 제어가 가능하다.

랑뮤어 블라짓(Langmuir-Blodgett) 기법은 나노촉매입자를 단층으로 제작하는 기법이다. 나노입자가 용액 위에 떠 있을 때 표면 압력을 조절해 나노입자 사이의 평균 간격을 조절할 수 있어 원하는 배열로 나노입자를 한 층으로 표면위에 증착할 수 있다.

그 결과 나노입자의 크기가 1.7인 경우 4.2나노미터 크기의 촉매보다 촉매활성도가 50% 증가함과 동시에 화학전류 생성효율에 5배 증가됨을 확인했다. 연구팀은 수소 산화반응 중 금속 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자 흐름을 검출하고 더 나아가 나노입자의 크기에 따른 촉매활성도 및 촉매 에너지 변화를 정략적으로 비교하는데 성공했다.

이번 연구성과는 화학저널인 안게반테 케미(Angewandte Chemi International Edition, IF 11.336) 2월 4일자 온라인(논문명: Chemical Reaction-induced Hot Electron Flows on Pt Colloid Nanoparticles under Hydrogen)에 실렸다. 제1저자는 이효선 KAIST EEWS 대학원 박사과정생이고 교신저자는 박정영 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더(KAIST EEWS 대학원 교수)이다.

박정영 그룹리더는 "나노 물질 표면에서 일어나는 화학촉매와 핫전자 사이의 반응 메커니즘에 대한 이해에 이론적 기반을 제공했다"며 "핫전자를 이용한 고효율 나노촉매의 개발과 에너지, 환경 분야에 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr