IBS 박정영 그룹리더 주도…나노촉매 반응의 기초현상 '핫전자' 흐름 최초 규명
기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 그룹리더(KAIST EEWS대학원 교수) 연구팀이 세계 최초로 나노촉매 반응 시 표면에서 발생하는 화학전류를 측정하는 데 성공했다.
이번 연구는 관찰이 어려웠던 나노촉매 위에 생성되는 핫전자(Hot Electron)를 측정하고 중요성을 이해한 점에서 큰 의미가 있다. 핫전자를 이용한 고효율 나노촉매 개발 및 다양한 친환경 에너지 저장·전환시스템 연구에 도움이 될 전망이다.
15일 연구팀은 나노촉매 표면의 화학반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 촉매 나노다이오드 장치를 새롭게 개발해 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자가 효과적으로 화학전류로 검출됨을 확인했다고 밝혔다.
나노촉매 분야는 넓은 표면적과 높은 반응성을 갖고 있어 꾸준히 연구되고 개발돼 왔으나 표면에서 분자의 탈착·활성을 일으키는 기초현상인 핫전자의 수명이 매우 짧아 이를 측정하는 데 큰 어려움이 따랐다.
연구팀이 개발한 새로운 촉매 나노다이오드는 얇은 금속 박막과 반도체로 이뤄진 나노다이오드 표면 위에 콜로이드 합성법으로 제작한 백금 나노입자(1.7 나노미터와 4.5 나노미터 크기)를 랑뮤어 블라짓 기법을 통해 제작했다.
이를 이용해 나노입자에서 발생하는 핫전자의 흐름을 측정하는 데 성공했고, 그 결과 나노입자의 크기가 1.7인 경우, 4.2나노미터 크기의 촉매보다 촉매활성도가 50% 증가함과 동시에 화학전류 생성효율에 5배 증가됨을 확인했다.
연구진은 수소 산화반응 중 금속 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자 흐름을 검출하고 더 나아가 나노입자의 크기에 따른 촉매활성도 및 촉매 에너지 변화를 정략적으로 비교하는데 성공했다.
이번 연구성과는 세계적인 화학저널인 안게반테케미 4일자 온라인판에 게재됐다. 또 논문의 혁신성을 인정받아 핫 페이퍼(Hot paper)에 선정돼 오는 28일 발간되는 저널의 속표지를 장식할 예정이다.
박 교수는 "이번 연구를 통해 나노 물질 표면에서 일어나는 화학촉매와 핫전자 간 반응 메커니즘에 대한 이해에 이론적 기반을 제공했다"며 "핫전자를 이용한 고효율 나노촉매의 개발과 에너지 소모 절감을 통해 에너지 및 환경분야에도 기여할 것"이라고 기대했다.
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◆용어설명
▶핫전자(Hot Electron):외부에서 에너지가 표면에 전달될 때 에너지 전환과정에 의해서 1-3 eV 에너지를 갖는 여기된(excited) 전자를 말한다. 이 때, 외부에너지는 광의 흡수, 분자의 흡착이나 촉매반응 등의 화학 반응, 전자 혹은 이온의 충돌 등의 다양한 현상을 포괄한다.
▶촉매 나노다이오드:얇은 금속 박막과 반도체(산화물 반도체 혹은 화합물 반도체 등)로 이루어진 나노다이오드 표면 위에 나노 촉매입자가 균일하게 증착되어 있는 디바이스로 나노촉매 표면에서 발생한 화학반응을 화학전류를 통해 실시간으로 관찰할 수 있다.
▶나노촉매:나노미터 (10억분의 1미터) 크기의 금속입자로 극대화된 촉매의 표면적으로 촉매표면에서 기체반응을 원활하게 하는 재료이다. 최근에 유기화학적 방법을 이용하여 나노입자들의 크기, 모양, 조성을 바꾸면서 합성할 수 있게 되어 이러한 구조적 인자들이 촉매 반응의 활성과 선택성에 미치는 영향에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.
▶콜로이드 합성법:금속염과 안정제가 함께 용해되어 있는 용매에 환원제를 투입 또는 혼합하여 나노입자를 제작하는 방법으로 제작과정의 여러 인자를 바꿈으로서 입자의 크기와 모양, 성분의 제어가 가능하다.
▶랑뮤어 블라짓(Langmuir-Blodgett) 기법:나노촉매입자를 단층으로 제작하는 기법이다. 나노입자가 용액 위에 떠 있을 때, 표면 압력을 조절하여 나노입자 사이의 평균 간격을 조절할 수 있어 원하는 배열로 나노입자를 한 층으로 표면위에 증착할 수 있다.
