주족 원소로도 '산소 반응' 제어'…新촉매 설계 원리 제시

전이금속 없이 주족 원소로도 산소 반응을 제어할 수 있는 새로운 촉매 설계 원리가 제시됐다. 산소 반응은 배터리·연료전지·친환경 화학 공정의 성능을 높이는 핵심 기술이다. 산소 반응에 따라 서로 다른 결과물을 얻을 수 있는 까닭이다. 다만 기존에는 전기와 열 전도율이 높은 전이금속이 주로 산소 반응에 이용, 주족 원소의 쓰임은 제한적이었다.

AI 생성 이미지. KAIST

KAIST는 화학과 황승준 교수 연구팀이 저마늄(Germanium)과 전자를 저장·전달하는 분자 구조를 결합해 산소 반응에서 전자가 이동하는 방식을 자유자재로 제어할 수 있는 분자 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다.

그간 산소 반응을 제어하는 촉매는 대부분 철·코발트·니켈 등 전이금속(전기·열 전도율 우수)을 이용해 개발됐다. 저마늄은 규소와 같은 계열에 속하는 주족 원소(전이금속을 제외한 대표 원소)로, 여러 전자가 동시에 이동하는 복합적 반응을 구현하는 데 적합하지 않은 것으로 알려졌다.

하지만 연구팀은 저마늄과 전자를 저장·전달하는 분자 구조 '산화-환원 활성 리간드(전자를 저장 또는 전달하는 분자 구조)'를 결합해 기존 통념을 깼다.

산소 반응은 전자의 이동 수에 따라 생성되는 물질과 반응 결과가 서로 다른 특징을 보인다. 예컨대 전자 2개가 반응(이동)할 때는 과산화수소, 전자 4개가 반응할 때는 물이 생성된다. 목적에 맞춰 전자 반응을 선택적으로 제어하는 기술이 배터리, 연료전지, 친환경 촉매 개발의 핵심 과제로 꼽혀 온 이유다.

연구팀은 철과 코발트 등 전이금속에서 가능하다고 여겨지던 2전자·4전자 반응을 저마늄 등 주족 원소에서 구현할 수 있다는 것을 처음으로 확인, 하나의 분자 시스템에서 2전자 반응과 4전자 반응을 선택적으로 유도할 수 있음을 입증했다. 그간 전이금속에 의존했던 촉매를 다양한 원소로 설계하는 가능성을 제시한 셈이다.

(왼쪽부터) KAIST 오진록·김성규 박사 후 연구원, 황승준 교수, POSTECH 최대의 석박사통합과정생. KAIST

연구팀은 산소 반응에서 일시적으로 생성됐다가 소멸되는 2전자 산화 상태의 저마늄 중간체를 안정적으로 분리하는 데도 성공했다. 중간체는 하나의 저마늄 원자가 전자를 주는 역할과 받는 역할을 모두 수행하는 이례적 특성을 보인다. 저마늄 중간체 분리는 이러한 반응이 일어나는 원리를 이해하는 데 중요한 단서를 제공했다.

황 교수는 "연구팀은 주족 원소인 저마늄으로 산소 활성화와 다전자 환원 반응을 조절하는 새로운 분자 시스템을 개발했다"며 "이는 저마늄 중심의 전자 구조와 반응성을 통해 주족 원소 화합물로도 정교한 산소 환원 반응이 가능하다는 것을 확인케 했다는 점에서 의미를 갖는다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 화학과 김성규·오진록 박사후연구원과 POSTECH 화학과 최대의 석·박사통합과정생이 참여했다. 연구 결과는 최근 국제학술지 'Chem' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr