전압 따라 달라지는 물 분자, 펨토초 단위로 첫 포착

기초과학연구원

양쪽 끝은 금 전극, 왼쪽 전극 옆에는 흡착된 분자, 두 전극 사이에는 물 분자들이 있는 모습을 나타낸 그림. IBS 제공.

전극 표면에 있는 극소량의 물 분자를 직접 관찰하는 것은 거의 불가능하다. 국내 연구팀이 전압에 따라 달라지는 전극 표면의 물 분자 움직임을 관찰하는 데 성공했다. 수전해를 이용한 배터리 개발에 새로운 통찰력을 제시한 연구다. 

기초과학연구원(IBS)은 조민행 분자분광학및동력학연구단 단장 연구팀이 마틴 자니 미국 위스콘신 화학과 교수 연구팀과 공동 연구를 진행해 전압 변화에 따라 금속 전극 표면의 물 분자가 어떻게 움직이는지 펨토초(1000조 분의 1초) 단위로 관찰하는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 

전압에 따라 달라지는 물 분자 움직임을 관찰하는 일은 전기화학적 반응에 대한 이해를 높이고, 차세대 수전해질 전지 개발을 하는 데 중요하다. 수전해질 전지는 물을 용매로 사용하는 리튬이온전지로, 물을 사용해 인화성이 낮고 폭발 위험이 없으며 유독한 화학물질 등으로 인한 환경오염 위험도 낮출 수 있다. 

수전해질 전지가 갖는 이러한 장점 때문에 최근에는 전극 표면에 존재하는 물 분자들의 움직임과 전하 운반체 역할을 하는 이온 용매화 에너지 변화, 이온 탈용매화 현상, 산화-환원 반응을 살피기 위한 분광학적 연구가 진행되고 있다. 

하지만 이런 방법으로는 전극 표면에 극소량 존재하는 물 분자들을 직접 관찰하기 어렵다. 크기가 매우 작은 분자들을 관찰하기 위해 짧은 레이저 광선을 조사한 뒤 분자들이 만들어내는 시그널을 시간에 따라 관찰하는 시분해 분광법이 널리 활용되고 있지만 물 분자에 의한 신호보다 금속 전극 자체가 만들어내는 신호가 훨씬 커 물 분자 움직임만 측정하기 어렵다. 

연구팀은 금 전극 표면에 정교하게 설계한 화합물을 흡착시켰다. 탐침 분자에 대한 2차원 진동 분광학 측정과 분자 동력학 시뮬레이션을 시행했다. 2차 진동 분광학은 연구 대상 물질에 짧은 레이저 빛을 가한 후 시간에 따라 변화하는 2차원 신호를 분석해 분자의 구조와 움직임을 탐지하는 방법이고, 분자 동력한 시뮬레이션은 물질을 이루는 원자 움직임에 대한 운동방정식을 풀어 원자와 분자 움직임을 예측하는 방법이다. 

연구팀은 이 두 가지 방법을 접목해 물 분자와 금속 표면에 흡착된 유기분자 간의 상호작용인 ‘수소결합’의 구조와 물 분자 움직임을 실시간으로 관찰했다. 이를 통해 전극에 가하는 전압 크기와 부호에 따라 물 분자 움직임이 달라진다는 현상을 처음으로 직접 확인했다. 양의 전압을 가하면 물 분자 움직임이 느려지고, 음의 전압에서는 빨라지는 것을 확인했다. 빨라지는 정도는 전압의 크기에 비례했다. 연구팀은 “이 결과는 전극 표면에 존재하는 물의 산화 환원 반응 역시 물 분자 움직임과 밀접한 관계가 있을 수 있다는 의미”라고 설명했다. 

조 단장은 “전기화학반응을 이해하는데 중요한 정보를 제공한 연구 결과”라며 “향후 수전해질을 이용한 배터리 개발과 응용에 필요한 물리화학적인 통찰을 제시했다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보’에 게재될 예정이다.

조민행 IBS 분자분광학및동력학연구단 연구단장(왼쪽)과 곽기정 연구원(공동저자). IBS 제공.

[문세영 기자 moon09@donga.com]