IBS "그래핀 이용해 촉매표면 전기특성 정밀 측정"

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 화학산업 등에서 중요한 역할을 하는 촉매의 표면에서 발생하는 핫전자(hot electron) 등 전기적 특성을 그래핀을 이용해 정밀 측정할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

기초과학연구원(IBS)은 10일 나노물질 및 화학반응연구단(단장 유룡) 그룹리더 박정영 교수(KAIST EEWS 대학원)팀이 그래핀 핫전자 촉매센서를 개발, 백금나노촉매에서 발생하는 핫전자를 정밀 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구진은 이 연구로 핫전자 움직임을 가시적으로 관찰하고 특성을 규명할 수 있게 됐다며 차세대 고효율 촉매를 설계, 분석하는 데 획기적인 전환점이 될 것으로 전망했다.

촉매는 화학반응에서 자신은 변하지 않으면서 반응속도를 빠르게 혹은 느리게 하는 물질로 원유 정제, 플라스틱 합성, 자동차 배기가스 정제 등 다양한 산업에 쓰인다.

촉매의 이런 작용에는 촉매표면에 있는 자유전자가 화학반응 과정에서 에너지를 흡수해 떨어져 나오는 핫전자가 중요하며 핫전자 양이 증가할수록 촉매 활성도도 커진다. 하지만 핫전자는 수명이 펨토초(1천조분의 1초)에 불과해 촉매반응 환경에서는 검출하기가 어려웠다.

연구진은 이산화티타늄(TiO₂) 위에 금보다 전기적 특성이 뛰어난 그래핀을 입히고 그 위에 백금나노촉매를 배치, 촉매물질과의 에너지장벽을 낮춤으로써 다수의 핫전자가 이동할 수 있게 해 검출도와 정밀도를 높였다.

그래핀은 탄소 원자들이 벌집처럼 육각형 그물 모양으로 연결돼 원자 한 개 층의 평면을 이룬 물질로 두께가 0.2나노미터(nm=10억분의 1m)에 불과하지만 전기적, 열적, 화학적 특성이 매우 우수해 핫전자 검출에 유리하다고 연구진은 설명했다.

연구진은 그래핀 핫전자 촉매센서를 이용해 백금나노촉매 표면에서 발생한 핫전자를 간단한 전기적 신호로 검출하는 데 성공했다며 그래핀 촉매센서의 핫전자 검출 효율과 정밀도는 금박막을 이용한 기존 촉매센서보다 매우 높다고 밝혔다.

그래핀 핫전자 촉매센서로 수소(H₂)와 산소(O₂)가 반응해 물(H₂O)이 되는 수소산화반응에서의 핫전자 방출값을 측정한 결과 기체크로마토그래피로 측정한 촉매활성도 결괏값과 동일한 경향을 보이는 것으로 확인됐다.

박정영 교수는 "원자 한 층으로 이루어진 그래핀을 이용해 촉매반응의 핫전자를 정밀하게 측정할 수 있었다"며 "그래핀 핫전자 촉매센서는 기술적 한계로 어려웠던 핫전자와 촉매 특성 간 관계를 정량적으로 분석할 수 있어 앞으로 고효율 차세대 나노촉매 물질 개발에 중요한 척도가 될 것"이라고 말했다.

이 연구 결과는 국제학술지 '나노 레터스'(Nano Letters, 2월 24일자) 온라인판에 게재됐다.

scitech@yna.co.kr

제보는 카카오톡 okjebo <저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포, AI 학습 및 활용 금지> 2016/03/10 12:00 송고