보도자료

2022. 11. 2 (수) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

탄소 촉매 반응의 비밀, ‘구조의 유연함’에 있다

UNIST 물리학과 최근수 교수, 탄소 결함이 만들어내는 촉매 반응 원리 규명
"귀금속 없는 탄소 기반 촉매 성능 극대화 기대”… ACS Nano 논문 게재

탄소 기반 촉매는 지난 십 수년간 신재생 에너지 분야에서 비싼 귀금속 촉매를 대체할 물질로 주목받았다. 최근 그간 밝혀지지 않았던 촉매 반응의 기작을 설명하는 연구가 나와 주목받고 있다.

UNIST(총장 이용훈) 물리학과 최근수 교수는 탄소 기반 촉매가 전기화학 반응을 촉진하는 이론적 원리를 밝혀 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 보고했다. 탄소의 결함과 구조적 유연성, 그리고 화학 반응이 맞물리면서 백금 같은 귀금속 없이도 촉매 활성이 가능해진다는 것이 핵심 내용이다.

최근수 교수는 “귀금속이 포함되지 않은 탄소 기반 촉매의 효율성과 내구성을 극대화할 수 있도록 탄소 기반 촉매에 결함을 도입하는 지침을 제공할 수 있을 것”이라고 기대했다.

수전해 수소 생산이나 금속-공기 이차전지, 수소 연료전지 등에는 ‘산소 환원 반응’이 필요하다. 이 반응은 산소와 수소, 그리고 전자가 만나서 물이 되는 과정인데, 촉매 없이는 반응이 잘 일어나지 않는다. 이 때문에 촉매 성능이 뛰어나다고 알려진 귀금속인 백금(Pt)이 꼭 필요했다. 하지만 백금은 비싸고 내구성도 떨어져 대안이 필요한 상황이다.

탄소 기반 촉매는 유력한 대체 물질로써 활발히 연구되고 있으며, 촉매의 효율성과 내구성고 꾸준히 개선 중이다. 하지만 탄소 기반 촉매가 전기화학 반응을 촉진하는 원인은 명확히 밝혀지지 않아 탄소 기반 촉매의 발전을 더디게 하고 있다.

이번 연구에서는 탄소의 독특한 구조적 특성에 주목해, 탄소 기반 촉매가 반응을 활성화하는 원리를 규명했다. 대표적인 탄소의 구조는 크게 두 종류다. 그래핀이나 흑연처럼 3개의 결합을 가지는 ‘2차원 평면 구조’와 다이아몬드처럼 4개의 결합을 가지는 ‘사면체 구조’다. 2차원 구조의 탄소가 새로운 결합을 형성할 때는 3차원 사면체 구조로 변형되는데, 이때 높은 에너지가 필요하다. 이런 높은 에너지는 탄소가 새로운 결합을 못 하게 막는 장벽이 되며, 탄소 물질의 낮은 반응성으로 이어진다.

양자역학 기반으로 계산한 결과, 결함이 탄소의 구조적 유연성을 높인 덕분에 탄소의 구조 변형에 필요한 에너지 장벽을 낮추고, 촉매 반응을 가능하게 한다는 것을 보였다. 또 분자 동역학 계산 결과는 탄소 물질에 도핑된 질소는 안정된 구조를 형성해 합성 측면에서 탄소 공백보다 유리하다는 것을 보여줬다.

최 교수는 “기존 연구에서 주로 다루었던 ‘국지적이고 정적인’ 전자구조 특성뿐만 아니라, ‘비국지적이고 동적인’ 구조 특성도 흡착 반응에 결정적인 영향을 미친다는 것을 찾아냈다”며 “이 결과는 전기화학 촉매 반응에 국한하지 않고 탄소 물질에서의 일반적인 화학 반응에도 적용할 수 있으며, 흡착 반응을 이해하기 위한 확장된 기틀을 제공한다’고 연구 의의를 밝혔다.

(논문명: Theoretical Study of Oxygen Reduction Reaction Mechanism in Metal-Free Carbon Materials: Defects, Structural Flexibility, and Chemical Reaction)

자료문의

대외협력팀: 김학찬 실장, 박태진 담당 (052)217-1231

물리학과: 최근수 교수

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

신재생 에너지 분야에서 널리 사용되는 전기화학 반응들은 낮은 반응성을 극복하기 위해 ‘촉매 사용’이 필수적이다. 특히, 수전해 수소 생산, 금속-공기 이차전지, 수소 연료전지 등에 적용되는 산소 환원 반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)에서는 백금 기반의 촉매만이 상업적으로 사용되고 있다. 하지만 백금의 높은 가격과 내구성 문제로 인해 대체 촉매 개발이 시급한 상황이다.

2009년에 최초로 질소 도핑된 탄소나노튜브가 ORR 촉매로 작동한다고 보고된 이후에 수많은 탄소 기반 촉매 연구가 이어져 오고 있으며, 촉매 효율성과 내구성은 꾸준히 개선되고 있다. 이것뿐 아니라 탄소 기반 촉매는 다양한 방면으로 확장되고 있다. 다른 원소(귀금속, 질소 등)를 포함하지 않고 공백 결함만을 가진 탄소 물질도 촉매 반응을 활성화할 수 있고, 탄소 기반 촉매가 다른 전기화학 반응들도 촉진한다는 연구 결과들도 보고되고 있다.

하지만, 결함(질소 도핑 또는 탄소 공백)들이 촉매 반응을 활성화하는 기작은 밝혀지지 않았으며, 이는 탄소 기반 촉매의 발전을 제한하고 있다. 기존 이론 연구에서는 결함에 의한 정적인 전자구조 특성(전하량 분포, 원자들의 에너지 레벨 등) 관점에서 촉매 반응을 설명하려고 했지만, 일반적인 탄소 물질에서의 반응을 만족스럽게 설명하지 못하고 있다. 본 연구에서는 탄소의 독특한 구조적 특성에 주목해 결함들이 촉매 반응을 활성화하는 기작 규명을 시도했다.

2. 연구내용

탄소는 3개의 결합을 가지는 2차원 평면 구조(예: 그래핀, 흑연)와 4개의 결합을 가지는 사면체 구조(예: 다이아몬드)가 존재한다.

그림1. 탄소의 2차원 평면 구조(좌)와 3차원 사면체 구조(우)

2차원 구조의 탄소가 새로운 결합을 형성할 때는 3차원의 사면체 구조로 변형을 동반하게 된다. 탄소-탄소 결합 길이와 각도의 변화를 포함하는 구조 변형에는 높은 에너지 장벽이 존재해 새로운 화학 결합을 저해하게 되며, 이것은 일반적으로 탄소 물질의 낮은 반응성을 야기한다. 따라서 탄소의 구조 변형을 위한 에너지 장벽을 낮추면 탄소의 화학 반응성을 높일 수 있다. 이번 연구는 이 점에 착안해 결함들이 탄소의 구조 변형을 위한 에너지 장벽에 미치는 영향을 연구했다. 특히 양자역학 기반의 계산 기법을 이용해, 탄소 기반 촉매에서 촉매 반응 활성화 여부를 결정짓는 산소 분자 흡착을 중점적으로 다루었다.

계산 결과는 결함들이 산소 분자를 흡착하는 탄소 원자의 근처에 존재해도 산소 흡착 반응을 활성화하는 결과를 보여준다. 결함이 있는 탄소 구조는 공통적으로 산소를 흡착하는 탄소가 사면체 구조를 형성할 때, 인접한 탄소 원자들이 그에 따라서 변위를 보인다. 결함 주위의 구조를 분석한 결과, 산소 흡착 이후에 질소 원자는 평면을 벗어나 움직이고 공백 결함 주위에 탄소 원자들은 탄소 결합들의 길이가 변하는 것을 확인했다.

그림2. 산소 흡착과 탄소의 구조 변형: 탄소 원자가 산소 분자와 결합 하기 위해서는 구조 변형(파란 화살표)이 동반돼야 하며, 구조 변형의 높은 에너지 장벽을 낮추기 위해서는 인접 원자들의 변위(빨간 화살표)가 필요하다.

결론적으로, 결함에 의해 높아진 탄소 물질의 구조적 유연성은 흡착 탄소의 구조 변형에 필요한 에너지 장벽을 낮추면서 산소 흡착 반응을 촉진한다. 따라서, 비국지적&동역학적 구조적 특성들은 국지적&정적인 전자구조만큼이나 흡착반응에 중요한 요소임을 제안했다.

또한, 분자 동역학 계산을 수행해 도핑된 질소는 안정된 구조를 형성하는 반면에 탄소 공백은 경우에 따라 재구조화를 통해 사라질 수 있음을 보였다. 따라서, 질소 도핑은 탄소 공백보다 합성의 용이성 측면에서 유리하다.

그림3. 산소 분자가 질소 도핑(좌)과 탄소 공백(우)이 있는 탄소 물질에 흡착한 구조들: 결함들에 의해 높아진 탄소 물질의 구조적 유연성은 탄소의 구조 변형에 필요한 에너지 장벽을 낮추고 산소 흡착이 가능하게 한다.

3. 기대효과

연구 결과는 향후 귀금속이 포함되지 않은 탄소 기반 촉매의 효율성과 내구성을 극대화할 수 있는 결함 도입의 가이드 라인을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서 제안하는 확장된 화학 반응 기작은 전기화학 촉매 반응에 국한되지 않고, 일반적인 탄소 물질에서의 화학 반응에 적용 가능하다. 그동안 탄소 물질에서 결함이 화학 반응성을 높인다는 경향성을 원자 수준에서 보이면서, 탄소 물질에서의 다양한 화학 반응을 이해하기 위한 확장된 이론적 기틀을 제공한다.

UNIST 홍보팀 news@unist.ac.kr