결정의 최소단위인 단위세포 내 원자간 간격 미세 조절까지 꿈꾼다
판형 입자 휘어지는 정도 조절하는 신개념 나노입자 합성방법론 개발
고려대-경기대-KAIST-KBSI 공동연구팀 연구결과, 재료과학분야 국제학술지 ‘Chem’ 게재

▲ 왼쪽부터 박종식 경기대 교수(고려대 박사, 제1저자)와 이광렬 고려대 교수(교신저자)

2차원 나노입자의 휘어지는 정도를 조절함으로써 단위세포 내의 원자간 간격을 미세하게 조절하여 전기화학 촉매 물성을 변화시킬 수 있는 신개념 나노입자 합성방법론이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

연구결과는 재료과학분야의 권위 있는 국제학술지 ‘Chem’(IF 25.832)에 1월 2일 온라인 게재됐다.
* 제목 : Flattening bent Janus nanodiscs expands lattice parameters
* 저자 : Jongsik Park, Hong Ki Kim, Jisol Park, Byeongyoon Kim, Hionsuck Baik, Mu-Hyun Baik, and Kwangyeol Lee* DOI : https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.12.004

한정된 화석연료의 소비로 인해 마주한 에너지 문제를 해결하고자 대체에너지 생산 및 전환 분야에 관련된 기술 개발은 지속적인 현대 사회 운영을 위해 필수적으로 해결하는 주제로 여겨져 왔다. 특히 전기화학적으로 물을 분해하여 얻어지는 수소는 이산화탄소와 같은 지구온난화를 유발할 수 있는 부산물을 생산하지 않으므로 친환경적이고 매우 효율성이 높은 에너지 원이다. 효율적인 수소 생산을 위해서는 물분해 반응을 촉진하기 위한 활성화에너지를 낮출수록 유리하며, 이를 위해서는 고효율, 고안정성 성질을 가지는 전기화학 촉매를 개발하는 것이 핵심이다.
* 활성화에너지 : 화학 반응이 진행되기 위해 필요한 최소한의 에너지.

일반적인 촉매 성능은 물질을 구성하고 있는 원자들의 고유한 배열 특성에 지배를 받게 되는데, 고효율 수소 생산을 위한 수소발생반응에서는 대표적으로 백금과 같은 귀금속 물질이 상용화 되어 있다. 이러한 귀금속 물질은 매장량이 제한되어 있어 값비싸므로 최대한 귀금속의 함량을 낮추거나 대체하면서도 동시에 높은 효율 및 안정성을 유지할 수 있도록 하는 전기화학 촉매 개발 연구가 필수적이다.

고려대 화학과 이광렬 교수 연구팀은 경기대 화학과(박종식 교수), 한국과학기술원(KAIST) 화학과(백무현 교수, 김홍기 박사), 한국기초과학지원연구원(KBSI, 백현석 박사) 연구팀과 공동연구를 통해 나노입자의 휘어지는 정도를 조절함으로써 단위세포를 구성하는 원자들의 배열을 조절하여 수소발생반응의 전기화학 촉매 물성을 변화시킬 수 있는 신개념 나노입자 합성방법론을 개발했다.

연구진은 잘 알려진 나노입자 합성법 중 하나인 <양이온 치환법>을 새로운 각도로 재조명했다. 원하는 물질군의 양이온 전구체를 일부분만 모체입자에 제공하여 두 물질상이 접합하는 계면에서 이온화합물의 모양을 유지하는 골격을 뒤틀리도록 유도하는 <부분 양이온 치환법을 통한 격자재조립 현상> 을 통해 결정내 원자들의 배치를 기존의 합성방법론으로는 변화할 수 없었던 방식으로 조절함으로써 구조 변화에 따른 촉매 활성 조절이라는 결과를 보고했고, 나노입자가 휘게 되는 원리를 심도 있는 전자현미경 분석 및 계산화학 모델링을 이용하여 규명했다.

이와 같은 양이온 치환법을 활용한 금속화합물의 원자 배열 조절을 통한 전기화학 촉매 개발 연구는 나노입자의 구조적인 변화에 따른 에너지 변화를 계산화학적으로 예측할 수 있음은 물론이고, 실제 전기화학 촉매 성능 변화와 연결시켰다는 것에 큰 의의가 있다.

특히, 전체적으로 매우 균일하며 휘어지는 정도를 조절할 수 있는 나노입자 합성방법론은 지금까지 보고된 바 없어 해당 합성방법론을 다양한 물질군에 응용한다면 구조적 변화에 따른 물질의 다양한 광학, 자성, 촉매 변화까지 관찰할 수 있을 것이고, 자연적으로 얻기 어려운 독특한 결정상 구현까지 시도해 볼 수 있을 것으로 기대된다. 그리고 더 나아가 나노입자를 활용한 신소재 개발이 더욱 가까워질 것으로도 전망된다.

연구진은 궁극적으로 값싼 금속화합물 원자 배열 조절 연구를 통해서 귀금속의 양을 최소한 사용하면서 고효율의 촉매 개발이 가능할 것으로 진단했다. 이광렬 고려대 교수는 “현대 사회가 마주한 에너지 고갈에 따른 대체에너지에 대한 필요성이 대두되는 시기에 이번 연구는 최종적으로 저렴한 원료에서부터 고효율 수소 에너지 생산이라는 높은 부가가치 창출을 할 수 있는 단초 역할을 제공할 것으로 생각된다.”고 말했다.

이번 연구는 기초과학연구원 (IBS), 한국연구재단 (중견연구자지원사업, 대학중점연구소지원사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 우수신진연구자 사업 등)을 비롯해 KBSI, 한국에너지기술평가원 등의 지원을 받아 진행됐다.



[ 그 림 설 명 ] 



▲ (그림1) 휘어진 2차원 야누스 나노판의 형성 메커니즘 개념도 및 반응시간에 따른 전자현미경 사진 및 성분 분포 사진
구리황화물 나노판과 로듐 양이온간에 양이온 치환 반응이 진행될수록 2차원 나노판 입자가 점점 휘어지는 것을 반응시간별 전자현미경 사진을 통해 확인할 수 있었고, 성분 분포 이미지를 통해 윗면은 로듐 황화물, 아랫면은 구리 황화물로 이루어진 야누스 형태로 이루어져 있음을 알 수 있었다.

▲ (그림2) 휘어지는 정도에 따른 단위세포의 격자 길이 변화 및 이에 따른 수소발생반응 촉매 활성 데이터
연구진들은 실험 및 계산화학의 상호보완적인 연구를 바탕으로 나노판의 휘어짐 현상으로 인해, 물질의 격자 매개변수의 변화가 유도되며, 이러한 변화를 바탕으로 물질이 가지는 고유한 전자구조를 조절할 수 있다는 메커니즘을 증명하였다. 이러한 메커니즘을 바탕으로 전자구조의 조절 통해, 수전해 반응 중 음극에서 일어나는 수소발생반응에 최적화된 전자구조를 가지는 로듐 황화물 합성하였고, 이 촉매를 이용하여, 효과적으로 물로부터 수소를 생산하는 데에 성공하였다.



커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)