포스텍, 주기율표 15족 원소로 산소 활성 반응 메커니즘 규명

포스텍(POSTECH)은 황승준 화학과·첨단재료과학부 교수 연구팀이 값싸고 흔한 주족원소들로도 전이금속 촉매 못지않은 산소 활성화 반응이 가능함을 입증한 연구 결과를 발표했다. 이 연구는 미국화학회가 발간하는 국제 학술지 '잭스 골드(JACS Au)'에 실리며 관련 학계의 관심을 모았다.

연구팀은 전이금속보다 흔하고 저렴한 주족원소인 인(P), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi)를 활용해 산소 반응을 정교하게 조절하는 데 성공했다. 이 세 원소는 모두 주기율표 15족에 속하는 '형제' 같은 존재다.

황승준 교수(뒷줄 왼쪽)와 연구진들.

연구팀은 이들을 중심에 둔 특수한 분자를 만들어 실험했다. 마치 평면 모양의 무대 위에 배우들을 올려놓듯, 이 분자들을 평평한 구조로 만들어 전자들의 움직임을 자세히 관찰할 수 있도록 설계했다.

흥미롭게도 겉보기에는 비슷해 보이는 이 세 분자가 산소를 만났을 때 전혀 다른 반응을 보였다. 가장 가벼운 인(P)은 산소 원자 두 개와 한꺼번에 반응하는 가장 활발한 반응성을 보였다. 반면 더 무거운 안티모니(Sb)와 비스무트(Bi)는 오직 산소 원자 하나에만 반응하며 선택적인 반응성을 보였다.

주족원소 기반 촉매 내 중심원소 변화에 따른 산소 환원 반응성 조절 구현 이미지

또 연구팀은 'Hammett 분석'과 'pKa 계산'을 통해 각 원소 반응성을 숫자로 정확히 표현하는 데도 성공했다. 이는 마치 운동선수의 기록을 정확히 재는 것과 같아서, 앞으로 비슷한 연구를 할 때 중요한 기준이 될 것으로 기대된다.

황승준 교수는 “주기율표상 원소 특성이 반응성에 어떻게 영향을 주는지를 구체적으로 보여준 사례”라며, “값싼 원소로도 고성능 산소활성 촉매를 만들 수 있음을 보여준 이번 연구가 화학, 환경 산업의 비용 절감과 친환경 기술 발전에 큰 도움이 되기를 바란다”고 말했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단-나노 및 소재기술개발사업과 삼성미래기술 육성재단의 지원을 받아 수행됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com