국내 연구진이 촉매의 원리를 밝힐 열쇠로 주목받고 있는 '핫전자'를 액체 환경에서 처음 검출해냈다.
기초과학연구원(IBS)는 박정영 나노물질및화학반응연구단 그룹리더(KAIST EEWS 대학원 교수·사진)팀이 과산화수소 수용액 안에서 일어난 금속 나노촉매의 반응에서 핫전자를 검출하고 전류를 측정하는 데 성공했다고 12일 밝혔다. 고도의 진공상태나 기체 환경이 아닌 일반 화학공정과 같은 액체 상태에서 핫전자의 존재를 확인한 것은 이번이 처음이다.
촉매는 화학반응에 관여해 반응 속도를 빠르거나 느리게 하는 물질로, 원유 정제나 플라스틱 합성 등 다양한 화학 공정에서 반응 효율을 높여 작업 시간을 줄이고 비용을 낮춰주는 핵심 물질이다. 앞으로 수소연료전지나 인공광합성 장치 등 새로운 기술을 구현하기 위해선 고효율 촉매 개발이 필수적이다. 이 가운데 화학반응 시 촉매 표면에서 펨토초(1000분의 1초) 사이에 발생하는 입자인 핫전자가 촉매의 원리를 밝힐 열쇠로 주목받고 있다. 연구팀은 나노 두께의 금속 박막 촉매를 실리콘 기판 위에 붙여 놓고 둘 사이에 낮은 전위장벽을 생성했다. 이후 촉매반응으로 만들어진 핫전자가 전위장벽을 넘어 전류로 흐르는 것을 측정, 액체 내 촉매반응에서 생긴 핫전자를 검출했다. 연구진이 반응에서 생긴 산소 기체를 '기체크로마토그래피'로 분석한 결과, 핫전자 측정값으로 계산해 낸 이론값이 실제 실험값과 일치하는 것으로 나타났다. 연구팀은 금속 박막 촉매의 소재를 백금이나 금, 은 등으로 바꿔보고, 박막 두께와 과산화수소 수용액의 농도를 조절하면서 달라진 핫전자 전류를 측정하는 데도 성공했다.
박정영 그룹리더는 "액체에서 작동하는 '촉매 핫전자 탐지기'를 이용해, 액상 촉매 반응 핫전자를 세계 최초로 검출했다"며 "촉매 작동 원리를 규명해 새로운 형태의 고효율 나노촉매 시스템 개발을 앞당길 것"이라고 말했다.
이번 연구성과는 화학 분야 국제학술지 '안게반테 케미'에 게재됐다.
남도영기자 namdo0@
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