UNIST·KAIST·포항방사광가속기 공동연구팀이 귀금속을 잘게 쪼개 쓸 수 있는 단원자 촉매 합성 기술을 새롭게 개발했다. 단원자 촉매의 반응성 조절이 가능한 합성법이다. 이 합성법은 촉매에 쓰이는 값비싼 귀금속의 함량을 줄일 수 있고, 다양한 촉매 개발에도 응용 할 수 있을 것으로 기대된다. UNIST(총장 이용훈) 화학과 주상훈 교수 연구팀이 주도한 이번 연구는 KAIST 화학과 김형준 교수팀, 포항방사광가속기의 이국승 박사팀이 참여했다.

단원자 촉매는 금속 원자가 담체(지지체) 표면에 하나씩 흩뿌려진 형태의 촉매이다. 금속 원자 각각을 모두 반응점으로 활용할 수 있어서 같은 중량의 귀금속을 쓰더라도 더 효율적이다.

하지만 단원자 촉매는 촉매 활성, 선택성과 같은 반응성 조절이 까다롭다. 중심금속을 감싼 분자나 이온인 리간드(ligand) 종류를 자유롭게 조절하기 힘들기 때문이다. 단원자 촉매의 반응성은 중심 금속과 리간드가 결합해 이루는 배위구조에 매우 민감한 특성이 있다.

주 교수 연구팀은 리간드 종류를 쉽게 바꾸는 단원자 촉매 합성 방법을 개발했다. 촉매 합성 과정에서 금속 전구체(원료)에 남아 있는 리간드를 다른 종류의 리간드로 교환하는 방식이다. 실제 백금족 귀금속인 로듐(Rh)에 결합한 잔여 리간드(CO)를 다른 리간드(NHx)로 교환했을 때 산소환원반응에 대한 촉매 활성(반응속도)은 최대 30배까지 차이가 났으며, 반응 선택도 또한 3배 차이를 보였다.

한편, 단원자 촉매는 리간드로 둘러싸인 금속 전구체를 담체에 고정시킨 뒤, 전구체 리간드를 제거해 합성한다. 기존에는 금속과 담체간 결합을 조절해 배위구조를 바꾸려는 시도가 많았다.

또 이번에 개발된 합성 방법은 리간드를 여러 번 반복해서 교체할 수 있어(가역반응) 조절된 배위 구조를 재조정 할 수도 있다.

제1저자인 김재형 박사는 “원하는 반응성을 얻기 위해 여러 번의 시행착오를 거쳐야 하는 기존 방식과 달리, 금속 전구체의 잔여 리간드를 바꾸는 새로운 방식으로 배위구조를 원하는 데로 조절할 수 있음을 이번 연구로 입증했다”며 “다양한 금속 원소와 담체 물질을 이용한 촉매 개발에도 응용 가능할 것”이라고 기대했다.

포항가속기연구소의 이국승 박사팀은 단원자 촉매의 배위구조 해석 연구를 수행했다. KAIST의 김형준 교수팀은 촉매 반응성 변화의 원인을 이론 계산을 통해 구체적으로 찾아냈다. 이는 배위구조에 따라 촉매와 반응물 중간체간의 흡착 에너지가 변화하기 때문인 것으로 밝혀졌다.

주상훈 교수는 “미래 화학 기술의 핵심 소재인 단원자 촉매 개발을 위해서는 단원자 촉매만의 독특한 성질을 이해하는 것이 중요하다”며 “이번 연구로 단원자 촉매의 잔여 리간드가 촉매의 반응 활성과 선택성에 영향을 미친다는 사실이 밝혀져 단원자 촉매 개발에 탄력을 받게 됐다”이라고 설명했다.

이번 연구는 화학 분야 권위지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 8월 4일자로 온라인 출판됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘중견연구자지원사업’, ‘미래소재디스커버리사업’ 및 ‘기후변화대응기술개발사업’의 지원을 받아 이뤄졌다.