정육면체 모양 촉매로 비귀금속 촉매 활성화 원리 찾아냈다!

두 가지 값싼 물질을 섞어 쓴 촉매의 성능이 좋은 이유가 밝혀졌다. 복합 촉매의 구조를 단순화할 수 있는 정육면체 모양 촉매 제작법을 활용한 결과이다.

UNIST (총장 이용훈) 에너지화학공학과의 안광진 교수팀과 서울대학교 (총장 오세정) 현택환 교수 연구팀은 두 종류 비귀금속 산화물 접촉면(계면)에서 나타나는 활발한 전하 이동이 산화물 복합 촉매의 성능을 개선한다는 원리를 밝혀냈다. 이번 연구는 촉매를 개발 할 때 필요한 일반 원리를 제시한 것이어서 메탄 가스등을 고부가가치 물질로 바꾸는 가스변환 반응 촉매 개발에 큰 도움이 될 전망이다.

그림1. ACS Catalysis 표지 정육면체 모양 촉매(나노큐브 촉매)를 형상화함

가스 물질을 고부가가치 생성물로 바꾸는 반응은 백금 같은 고가의 귀금속 촉매가 주로 이용돼 경제성이 떨어진다. 이 때문에 저렴한 스피넬 산화물(비귀금속 산화물) 촉매의 성능을 보완하기 위한 연구가 활발하다. 최근 스피넬 산화물에 촉매 성능이 없는 산화세륨(CeO2)을 첨가하면 오히려 성능이 향상 되는 것으로 나타났지만, 복합 촉매의 구조가 복잡해 정확한 원리를 알기가 어려웠다.

그림2. 정육면체 모양 복합 촉매 합성 개념도 및 합성된 촉매의 현미경(TEM) 이미지

연구팀은 자체 개발한 정육면체 구조의 복합촉매와 실시간 분석법(in-situ analysis)을 활용했다. 이 복합촉매는 정육면체 모양 산화스피넬 나노입자를 산화세륨으로 감싼 구조인데, 촉매 합성 과정에서 산화세륨이 덮인 정육면체의 면 개수를 순차적으로 늘릴 수 있다. 연구진은 산화세륨이 덮인 면의 개수를 늘려가면서 촉매 활성도를 실시간 분석해 계면 간 전하 전달이 활발할수록 촉매 활성도가 높아짐을 알 수 있었다.

촉매 성능인 활성도를 평가하기 위해서는 일산화탄소를 산화시키는 반응을 썼다. 실험결과 산화세륨이 정육면체 스피넬산화물의 3면만을 덮었을 때 일산화탄소를 가장 잘 산화시키는 것으로 나타났다. 산화세륨-스피넬산화물 접촉면 면적은 6면 모두가 산화세륨으로 덮이면 가장 넓지만, 6면이 모두 비활성 물질인 산화세륨으로 덮일 경우 전하전달 반응이 일어나기 어려웠기 때문이다.

그림3. 스피넬산화물에 산화세륨이 박막이 입혔을 때 촉매 활성화 원리

안광진 교수는 “자체적으로 고안한 나노입자 촉매 구조를 이용해 복잡한 비귀금속 촉매 내부의 반응성 향상 원리를 밝혀내 학술적으로 가치 있는 연구” 라며 “온실가스 감축, 수소생산, 오염물질 제거 등의 응용 기술 분야에도 도움이 될 것”으로 기대했다.

이번 연구는 촉매 분야의 세계적 권위지인 ‘ACS Catalysis’ 표지논문으로 선정되어 출판됐다. 연구 수행은 한국 연구 재단 (NRF) 및 산업 통상 자원부의 지원으로 이뤄졌다.