합금 나노입자의 촉매 반응 현상 메커니즘 밝혔다

IBS-KAIST 공동 연구진, 실제 촉매 반응 환경에서 핫전자 관측

이미지의 왼쪽은 실시간 투과전자현미경(TEM, Transmission electron microscopy)를 이용해 실제 산화 반응 시 백금-코발트 합금 나노입자 촉매 표면에 형성된 코발트 산화물(CoO)을 관찰한 모습이다. 오른쪽 이미지는 금속-산화물(백금 코발트 산화물) 계면에서 수소산화 반응 메커니즘을 모형으로 보여준 것이다.

기초과학연구원(IBS 원장 김두철) 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 부연구단장 연구팀이 베일에 가려있던 합금 나노입자의 촉매 반응 현상에 대한 메커니즘을 밝혔다.

IBS 연구진은 KAIST 정유성 교수 연구팀과 공동연구를 통해 합금 나노 촉매 표면에 형성된 금속-산화물 계면이 촉매 성능을 향상하는 중요한 요소임을 확인했다.

합금 나노입자는 높은 효율의 촉매 활성도를 가져 석유화학 공정뿐만 아니라 수소 연료 전지, 물 분해 등 친환경 촉매로 주목받고 있다. 합금 나노입자는 화학적 조성에 따라 촉매 표면의 전자 구조 및 결합 에너지를 제어할 수 있어 활용성이 크다.

이번 연구에서는 백금과 코발트가 합금 된 나노입자를 핫전자 촉매센서에 접목하는 방식으로 연구를 설계했다. 백금-코발트 합금 나노입자는 화학산업 및 에너지 환경 분야에 중요한 초갬 구성요소다. 백금-코발트 합금 나노입자처럼 복잡한 구조를 가진 나노 촉매 구조에 핫전자 촉매센서를 적용해 실시간으로 핫전자를 관찰하는 것이 이번 실험의 큰 관건이었다.

흥미롭게도 수소산화 반응에 합금 나노촉매를 적용하자 한 층의 코발트 산화물이 백금-코발트 합금 나노 입자 표면 위에 형성되면서 금속-산화물 계면이 만들어졌다. 금속-산화물 계면에서 전하 이동이 늘어나면서 핫전자 검출 효율이 증가한 것이다. 다시 말해 금속-산화물 계면이 합금 나노 촉매의 활성을 높이는 데 결정적임을 실제로 입증한 것이다.

박정영 부연구단장은 “이번 연구로 합금 나노촉매의 반응 중 자연스럽게 형성되는 구 물질 사이의 계면이 촉매 반응성과 핫전자의 생성을 증폭시킨다는 점을 규명했다. 실제 촉매반응이 일어나는 상업과 고온 환경에서 얻어진 결과를 토대로 향후 고효율의 차세대 촉매물질을 개발하는데 연구 결과를 응용할 수 있다”고 전망했다.
이해미 기자 ham7239@