고려대 신소재공학부 남대현 교수, 고려대(KU)-한국과학기술연구원(KIST) 융합대학원 백서인 교수 연구팀이 서울대 재료공학부 주영창 교수, 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀과 구리 합금 촉매의 표면 변화 메커니즘을 세계 최초로 규명했다.
뉴시스 보도에 따르면, 전기를 이용해 이산화탄소를 유용한 화합물로 바꾸는 기술은 탄소 중립 시대의 핵심으로 구리 촉매가 중심 역할을 한다. 특히 다른 금속을 섞은 구리 합금 촉매는 생성물의 선택성을 높이는 데 효과적이다.
그러나 반응 중 촉매 표면 구조가 달라지는 재건 현상이 발생하면 설계와 실제 구조 간 차이로 성능 예측이 어려우며 합금 촉매의 경우 변화가 더 복잡해 원인 규명이 힘들다.
이에 연구팀은 다양한 구리 합금 촉매를 설계하고, 고전류 조건에서 표면 구조의 변화를 정밀 분석했다. 그 결과 구리–은 촉매에서는 표면에 구리 나노입자가 새롭게 형성됐지만, 구리–아연 촉매는 처음 설계된 구조를 유지했다.
두 금속 모두 일산화탄소 생성 능력은 비슷했지만 표면 구조 변화 방식에 따라 최종 생성물은 달랐다. 구리–은 촉매에서는 에탄올이 주로 생성됐고, 구리–아연 촉매에서는 일산화탄소가 많이 만들어졌다.
연구팀은 투과전자현미경으로 구리 나노입자의 성장 과정을 실시간 관찰했고 특정 반응 물질이 촉매 표면에 달라붙으며 금속이 녹아 나왔다가 다시 붙는 '용출-재전착' 과정이 표면 변화의 원인임을 밝혀냈다.
또한 금속 원자의 배열 방식이 합금의 혼화성(두 종류 이상의 물질이 섞여 균일한 혼합물을 형성하려는 성질)에 따라 달라짐을 확인했다. 연구팀은 짧은 시간에 전압을 빠르게 변화시키는 펄스 전위법으로 표면 변화를 제어해 촉매 구조와 생성물 종류까지 조절할 수 있음을 입증했다.
남 교수는 "이번 연구는 합성 조건에만 의존하던 기존의 촉매 설계에서 나아가, 실제 반응 환경에서의 변화까지 고려한 새로운 방향을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다"고 밝혔다.
한편 본 연구는 촉매 분야 최고 권위의 국제 학술지 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis, IF=44.6)' 온라인에 지난달 14일 게재됐으며 표지 논문으로 선정됐다.
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