금속 촉매 새 작동원리 밝혔다 '촉매성능 개선 기대'

[파이낸셜뉴스] 화학제품 생산과 에너지 산업의 핵심인 금속 촉매의 새로운 작동 원리가 밝혀졌다. 촉매의 성능을 보다 정확하게 예측하고 개선하는 데 기여할 것이라는 기대다.

과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단과 막스플랑크 다학제과학연구소 공동연구팀이 금속 촉매 표면에서 분자가 결합한 지점으로부터 수 나노미터(nm) 멀리 떨어진 원자 구조도 화학 결합의 세기에 영향을 미친다는 사실을 규명했다고 30일 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부의 IBS 기초과학연구단 지원 사업을 통해 수행됐으며, 연구 결과는 세계적 학술지 '사이언스(Science)'에 10월 30일 오전 3시 게재됐다.

연구팀에 따르면 금속 촉매는 화학 반응을 촉진하는 물질로, 화학제품과 연료 생산 등 다양한 산업 분야에서 활용된다.

금속 촉매를 이용한 화학 반응은 반응물인 분자가 금속 표면에 달라붙는 과정에서 시작된다. 이때 분자와 금속 사이의 결합 세기는 이후 화학 반응이 얼마나 원활하게 진행되는지를 좌우하는 핵심 요인이다. 따라서 분자가 금속 표면에 어떤 원리로 결합하는지 이해하는 것은 촉매의 성능을 예측하고 개선하는 데 중요하다.

연구진은 장거리 전자 효과가 금속 촉매 표면에서 분자와 금속 사이의 결합 세기를 변화시킬 수 있다는 사실을 실험적으로 확인했다. 이를 위해 원자들이 층층이 쌓여 계단 모양을 이루는 백금 표면을 이용했다. 원자계단 사이의 간격이 서로 다른 백금 표면을 제작하고, 암모니아(NH₃), 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO) 분자가 금속과 결합하는 세기를 정밀하게 측정·비교했다.

그 결과, 분자가 붙는 지점의 구조가 유사해도 이웃한 계단까지의 거리에 따라 결합 세기가 달라지는 현상을 확인했다. 결합 에너지 차이는 최대 약 0.2 전자볼트(eV)로 결합의 안정성이 크게 달라질 수 있는 수준이다. 장거리 영향이 나타나는 특성 거리는 분자 종류에 따라 약 4~7 나노미터로, 이는 원자 수십 개를 나란히 늘어놓은 정도의 거리다.

연구진은 이러한 현상의 원인도 밝혀냈다. 금속 안에서는 수많은 전자가 특정 원자에 머무르지 않고 넓게 퍼져 있어, 마치 거대한 '전자 바다'를 이룬다. 분자가 금속 표면에 붙으면 분자의 전자와 금속의 전자 바다가 상호작용하면서 멀리 떨어진 원자 구조의 영향까지 받게 된다. 즉, 분자와 금속 사이의 화학 결합은 넓은 영역에 걸친 전자적 상호작용에 의해 영향을 받을 수 있다는 것이다.
또 연구진은 분자마다 장거리 영향이 다르게 나타나는 이유를 설명하기 위해 화학의 분자 궤도와 물리학의 전자띠 개념을 결합한 '프런티어 오비탈-밴드 모델(Frontier Orbital-Band Model)'을 제시했다. 이 모델은 분자마다 전자 상태의 특성이 달라 금속 내부의 서로 다른 전자 상태와 상호작용하며, 이에 따라 같은 금속 표면에서도 분자의 종류에 따라 장거리 영향이 달라진다는 점을 설명한다.

드미트리 보로딘(Dmitriy Borodin) IBS 양자나노과학 연구단 그룹리더(공동 교신저자)는 "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.

[email protected] 연지안 기자