국내연구진이 그래핀을 이용해 촉매반응이 일어날 때 발생하는 '핫전자'를 실시간으로 측정하는 센서를 개발했다.
기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수(KAIST EEWS 대학원·사진) 연구팀은 그래핀 핫전자 촉매센서를 개발해 백금나노촉매에서 발생하는 핫전자를 정밀하게 관측하는데 성공했다고 10일 밝혔다.
핫전자는 화학반응 중 화학에너지가 전기에너지로 방출되는 과정에서 촉매 표면의 자유전자가 외부의 에너지를 얻어 이탈하는 현상이다. 촉매 활성도가 증가하면 핫전자의 양도 늘어나기 때문에 핫전자 수치를 측정하면 촉매 활성도를 실시간으로 파악할 수 있다. 하지만 핫전자의 수명이 펨토초(1000조 분의 1초) 수준에 불과해 그동안 촉매반응이 일어날 때 직접 검출하는 것이 쉽지 않았다.
박 교수팀은 기존에 금박막을 이용한 촉매센서 대신 그래핀을 이용한 센서를 개발해 백금 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자를 간단한 전기적 신호로 검출하는 데 성공했다. 그래핀은 탄소 원자들이 육각형 그물 모양으로 연결돼 평면을 이룬 2차원 물질로, 두께가 0.2㎚(100억분의 2m)에 불과할 정도로 매우 얇지만 우수한 전기적·열적·화학적 특성을 갖춰 핫전자 검출에 유리하다.
연구팀은 이 연구로 핫전자의 거동을 가시적으로 관찰하고 그 특성을 규명해낼 수 있게 돼 차세대 촉매를 설계하고 분석하는데 획기적인 전환점을 마련했다고 설명했다.
박 교수는 "그래핀 핫전자 촉매센서는 기술적 한계로 어려움이 있었던 핫전자와 촉매 특성 간의 관계를 정량적으로 분석할 수 있게 돼 고효율 차세대 나노촉매 물질 개발에 중요한 척도를 마련했다"이라며 "앞으로는 보다 복잡하고 실제 공업 환경에서 사용되는 반응 및 촉매에서의 화학반응 메커니즘을 연구할 예정"이라고 말했다.
