화학 결합, 수㎚ 밖 원자에도 영향받는다…촉매 설계 새 원리 발견[과학을읽다]

IBS·독일 막스플랑크 공동연구…백금 표면 분자 결합 세기 정밀 측정
최대 0.2전자볼트 차이 확인…장거리 전자 상호작용 설명할 새 모델 제시

금속 표면에 달라붙은 분자의 결합 세기가 수 나노미터(㎚·10억분의 1m) 떨어진 원자 구조에 따라서도 달라진다는 사실이 밝혀졌다. 화학 결합은 주로 분자가 직접 맞닿는 주변 원자들과의 상호작용으로 설명해 왔지만, 이보다 훨씬 넓은 영역의 전자적 특성까지 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 금속 촉매의 작동 원리를 이해하고 성능을 예측하는 데 새로운 단서가 될 전망이다.

과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단과 독일 막스플랑크 다학제과학연구소 공동연구팀이 금속 촉매 표면에서 멀리 떨어진 원자 구조가 분자와 금속 사이의 결합 세기에 영향을 미친다는 사실을 규명했다고 30일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '사이언스(Science)'에 이날 게재됐다.

분자가 금속 표면에 결합할 때 전자적 반응이 결합 지점 주변을 넘어 표면을 따라 퍼지는 모습을 표현한 모식도. 금속의 전자 바다가 분자의 존재에 반응하며 결합의 영향이 넓은 영역으로 확장될 수 있음을 보여준다. 연구진 제공

금속 촉매는 화학 반응을 빠르게 진행하도록 돕는 물질로, 비료 원료인 암모니아 생산 등 다양한 산업에 사용된다. 촉매 반응은 분자가 금속 표면에 달라붙는 과정에서 시작되며, 이때 결합 세기는 이후 화학 반응이 얼마나 원활하게 진행되는지를 좌우한다.

그동안 분자와 금속 사이의 결합은 주로 직접 접촉하는 원자들과의 상호작용으로 설명됐다. 멀리 떨어진 원자 구조의 영향도 알려져 있었지만, 실제 화학 결합의 세기를 바꿀 정도는 아닌 것으로 여겨졌다.

원자계단 간격 바꿨더니 결합 세기 달라져

연구팀은 원자들이 계단 모양으로 배열된 백금 표면을 이용해 이러한 기존 인식을 검증했다. 원자계단 사이의 간격이 서로 다른 백금 표면을 제작한 뒤 암모니아(NH₃), 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO) 분자가 금속과 결합하는 세기를 비교했다.

그 결과 분자가 달라붙는 지점의 원자 구조가 비슷하더라도 이웃한 계단까지의 거리에 따라 결합 세기가 달라졌다. 결합 에너지 차이는 최대 약 0.2전자볼트(eV)였으며, 장거리 영향이 나타나는 특성 거리는 분자 종류에 따라 약 4~7㎚로 확인됐다. 원자 수십 개를 나란히 늘어놓은 정도의 거리다.

연구팀은 이러한 현상이 금속 내부에 넓게 퍼져 있는 전자들의 상호작용 때문에 나타난다고 설명했다. 분자가 금속 표면에 붙으면 분자의 전자와 금속 내부의 전자들이 상호작용하면서 멀리 떨어진 원자 구조의 영향까지 받는다는 것이다.

연구팀은 분자마다 장거리 영향이 다르게 나타나는 이유를 설명하기 위해 '프런티어 오비탈-밴드 모델(Frontier Orbital-Band Model)'도 제시했다. 분자의 전자 상태를 설명하는 화학의 '분자 궤도' 개념과 금속 내부 전자들의 에너지 상태를 설명하는 물리학의 '전자띠' 개념을 결합한 모델이다.

드미트리 보로딘 IBS 양자나노과학 연구단 그룹리더. 과기정통부 제공

플로리안 니츠 막스플랑크 다학제과학연구소 연구원은 "표면 화학을 올바로 이해하려면 분자를 중심으로 보는 화학과 금속의 전자적 특성을 다루는 물리학의 관점을 통합해야 한다"며 "이번 성과는 막스플랑크 연구진의 금속 표면 정밀 측정 기술과 IBS 연구진의 고체물리학적 분석을 결합해 이뤄낸 결과"라고 말했다.

이번 연구는 촉매 성능을 직접 높인 결과라기보다 촉매 표면에서 일어나는 화학 결합을 보다 정확하게 설명할 수 있는 기초 원리를 제시했다는 데 의미가 있다. 향후 촉매의 원자 구조와 전자적 특성을 함께 고려하는 계산 모델 개발에 활용될 가능성이 있다.

드미트리 보로딘 IBS 양자나노과학 연구단 그룹리더는 "과거 촉매 개발은 오랜 실험과 시행착오에 의존해 왔지만, 이제는 화학 반응의 원리를 바탕으로 원하는 특성을 예측하고 설계하는 방향으로 나아가고 있다"며 "이번 연구가 화학 결합에 대한 이해를 넓혀 보다 정교한 계산과 효율적인 촉매 설계에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr