KAIST, '대기 오염 저감' 신개념 원자 촉매 설계

백금 셀레나이드(PtSe₂) 표면에 존재하는 원자 수준의 백금이 기체 반응에 촉매로 기능할 수 있다는 새로운 설계 개념이 제시됐다. 이를 이산화탄소 전환과 일산화탄소 저감 등 대기오염 문제 해결에 기여할 차세대 기체상 촉매 기술로 활용할 가능성도 점쳐진다.

KAIST는 화학과 박정영 석좌교수 연구팀이 충남대 김현유 교수, 미국 센트럴플로리다대(UCF) 정연웅 교수 연구팀과 공동연구를 통해 백금 셀레나이드 표면에 노출된 백금 원자로 일산화탄소 산화 성능을 구현하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.

(왼쪽부터) 김종훈 교수, 한규호 박사, 박정영 교수. KAIST 제공

백금 셀레나이드는 백금(Pt)과 셀레늄(Se)이 층상 구조로 결합된 이차원 물질이다. 이 물질은 우수한 결정성과 층간 상호작용의 정밀한 제어로 다양한 물리·화학적 특성의 조절이 가능한 것으로 알려졌다.

공동연구팀은 백금 셀레나이드의 촉매 성능을 극대화하기 위해 기존 백금 덩어리 촉매 형태에서 백금 원자를 고밀도로 표면에 분산시켜 적은 양의 백금으로도 보다 많은 촉매반응을 유도했다.

또 표면의 전자 구조를 제어해 백금과 셀레늄 사이의 전자 상호작용을 활발하게 하는 과정에서 수 나노미터 두께의 백금 셀레나이드 박막을 만들어 동일한 조건으로도 일반 백금 박막보다 나은 일산화탄소 산화 성능을 가질 수 있도록 했다.

이를 통해 표면에서는 일산화탄소와 산소가 골고루 비슷한 비율로 흡착돼 서로 반응할 기회가 높아졌고, 촉매 반응은 크게 향상됐다.

백금 셀레나이드 산화 반응 모식도. KAIST 제공

성능 향상의 핵심은 '셀레늄 결손(Se-vacancy)'으로 노출이 확대된 표면 백금 원자가 드러나면서 기체들이 붙을 수 있는 흡착점도 늘어났다는 것이다.

공동연구팀은 백금 원자가 반응하는 과정에서 흡착점으로 작용했다는 사실을 포항가속기연구소에서 수행한 상압 엑스선 광전자분광(AP-XPS) 분석을 통해 실시간 확인했다. 이러한 고정밀 분석은 1나노미터 수준의 표면을 상압 환경에서 관찰할 수 있는 고도 장비 덕분에 가능했다.

동시에 컴퓨터 시뮬레이션(밀도범함수이론) 계산으로 백금 셀레나이드가 일반 백금과는 다른 전자 흐름의 특성을 가지고 있음을 이론적으로 입증했다. 밀도범함수이론은 전자 밀도를 기반으로 시스템의 전체 에너지를 계산하는 방법을 말한다.

박정영 교수는 "이번 연구는 기존 백금 촉매와 다른 이차원 층상 구조의 백금 셀레나이드로 기체 반응에 특화된 촉매 기능을 이끌어낸 새로운 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다"며 "백금과 셀레늄 사이의 전자적 상호작용이 일산화탄소와 산소를 균형 있게 흡착하는 반응 조건을 만들고 기존 백금보다 모든 온도에서 반응성이 높도록 설계해 실제 현장에서 적용할 수 있는 여지도 높였다"고 설명했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 화학과 한규호 박사, 충남대 신소재공학과 최혁 박사, 인하대 김종훈 교수가 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과(논문)는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 3일 자로 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr