'촉매'가 세상을 지배한다…나노촉매 반응 극대화 원리 규명

[아시아경제 정종오 기자]국내 연구진이 촉매 반응을 극대화시킬 수 있는 원리를 규명해 관심이 집중되고 있다. 박정영 카이스트(KAIST) 교수가 중심이 된 국내 연구진은 나노촉매에 산화막을 형성시켜 촉매 반응을 극대화 시킬 수 있는 원리를 규명했다. 새로운 촉매물질 개발 가능성이 열렸다.

나노촉매(Nanocatalysts)는 표면적이 높은 산화물 지지체에 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 금속입자가 분산돼 있는 구조로 표면에서 기체 반응을 원활하게 하는 재료를 말한다.

21세기 들어 촉매는 인류가 직면한 다양한 문제를 해결할 수 있는 것으로 알려져 있다. 촉매는 화학 반응에서 그 자신은 변하지 않는데 다른 물질의 화학 반응을 빠르게 하거나 늦추는 작용을 하는 핵심 물질이다.

일상생활에서 사용하고 있는 제품의 대부분(80% 이상)은 촉매를 이용해 만들어진다. 촉매는 우리 생활에서 꼭 필요하고 중요한 물질로 알려져 있다. 최근 전 세계 연구자들은 인류가 직면한 중요 이슈인 에너지와 환경문제 등을 근본적으로 해결하기 위해 친환경적 화학공정에 사용될 새로운 나노촉매 물질을 집중적으로 개발하고 있다.

실생활에서 주로 사용되는 촉매는 나노입자와 산화물로 이뤄져 있다. 그 중 나노입자는 촉매의 표면적을 최대한 넓혀 촉매의 활성도를 극대화 시키는 역할을 한다.

활성도가 높은 촉매를 효과적으로 제조하기 위해서는 나노입자의 표면 산화막이 중요한 요인으로 알려져 왔다. 이를 과학적으로 입증하기 위해서는 촉매가 반응하는 환경에서 나노입자의 산화상태를 정확히 측정해야 하는데 지금까지 대부분 진공상태에서만 분석돼 이를 면밀히 확인하기 어려웠다.

촉매가 반응하는 환경에서 측정되기 위해서는 상압측정이 필요하다. 최근 개발된 상압 엑스선 광전자 분광법으로 이러한 상압에서 표면의 성분과 산화상태의 연구가 가능하게 됐다. 엑스선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy)은 엑스선을 물질에 쬐었을 때 나오는 광전자의 운동에너지를 조사해 물질의 성분과 산화상태 등을 연구하는 표면분석법이다.

▲루테늄(Ru) 나노입자의 촉매환경 도중 산화상태.[사진=교육과학기술부]

국내 연구진은 2.8나노미터와 6나노미터 크기의 루테늄 나노입자 2개를 콜로이드 합성법으로 제작하고, 랭뮤르 블라짓 기법으로 나노입자 한 층을 표면에 증착시켰다. 연구팀은 나노입자의 산화상태를 온도와 압력을 바꿔가며 측정했고 크기가 큰 루테늄 나노입자가 얇은 산화막을 가진다는 결과를 도출했다.

연구팀은 측정결과를 바탕으로 산화상태가 촉매의 활성도에 미치는 영향을 확인해 크기가 큰 루테늄 나노입자의 얇은 산화막이 촉매의 활성도를 높일 수 있고, 산화상태를 바꾸면 활성도를 제어할 수 있다는 사실을 입증했다.

박정영 교수는 "나노입자의 산화막이 촉매환경에서 만들어지고 촉매활성도에도 직접적 관계가 있다는 것을 규명함으로써 활성도가 높은 촉매물질을 만드는데 응용될 수 있다"며 "환경오염에 주요한 원인이 될 수 있는 촉매물질의 사용을 획기적으로 줄이는데 기여할 것으로 기대된다"고 설명했다.

이번 연구는 박 교수가 주도하고 캄란 카디르 박사과정생(Kamran Qadir, 제1저자), 울산과기대 주상훈 교수, 한양대 문봉진 교수 및 UC버클리대 가보 소모자이 교수가 참여했다. 이번 연구결과는 나노분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters' 온라인 속보(10월 15일)에 게재됐다.

◆상압 엑스선 광전자 분광법(Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy)=엑스선 광전자 분광법은 엑스선을 물질에 쬐었을 때 나오는 광전자의 운동에너지를 조사함으로써 물질의 성분과 산화상태 등을 연구할 수 있는 표면분석법이다. 높은 엑스선의 강도가 필요하기 때문에 주로 방사광 가속기 (synchrotron)에 설치된다. 최근에 차동 진공시스템 (differential pumping)을 이용하여 엑스선 광전자 분광법을 상압에서 이용할 수 있게 되고 다양한 촉매, 분자의 화학적 반응, 물, 환경 등의 연구에 쓰이고 있다.

◆콜로이드 합성법=금속염과 안정제가 함께 용해돼 있는 용매에 환원제를 투입 또는 혼합해 나노입자를 제작하는 방법이다. 제작과정에서 여러 인자를 바꿔 입자의 크기와 모양, 성분의 제어가 가능하다.

◆랭뮤르 블라짓(Langmuir-Blodgett)기법=금속나노입자를 단층으로 제작하는 기법인데 나노입자가 용액 위에 떠 있을 때, 표면 압력을 조절해 나노입자 사이의 평균 간격을 조절할 수 있다.

정종오 기자 ikokid@