KAIST, 대기오염 줄이는 신개념 ‘원자 촉매’ 설계

백금 셀레나이드 촉매로 활용
흡착 유도…촉매 반응성 향상

김종훈(왼쪽부터) 인하대 교수, KAIST의 한규호 박사, 박정영 석좌교수 [KAIST 제공]

국내 연구진이 백금 셀레나이드 표면에 존재하는 원자 수준의 백금을 활용, 고효율 이산화탄소 전환과 일산화탄소 저감 등을 위한 차세대 기체상 촉매 기술로서의 가능성을 입증했다.

KAIST는 박정영 화학과 석좌교수 연구팀이 김현유 충남대 신소재공학과 교수, 김종훈 인하대 미래융합대학 교수, 정연웅 미국 센트럴플로리다대학교(UCF) 교수 연구팀과 공동연구를 통해, 이차원 전이금속 칼코겐화합물인 백금 셀레나이드(PtSe₂) 표면에 노출된 백금 원자를 활용해 우수한 일산화탄소 산화 성능을 구현하는 데 성공했다고 22일 밝혔다.

연구진은 촉매 성능을 극대화하기 위해 기존의 백금 덩어리 촉매 형태에서 백금 원자가 고밀도로 표면에 분산되도록 고안, 더 적은 양의 백금으로 더 많은 촉매반응을 유도했으며, 표면의 전자 구조를 제어하여 백금과 셀레늄 사이의 전자 상호작용을 활발하게 일어나도록 했다. 이 과정을 통해 제작된 수 나노미터 두께의 백금 셀레나이드 박막은, 동일 조건에서 일반 백금 박막보다 전 온도 범위에서 더 우수한 일산화탄소 산화 성능을 나타냈다.

특히 표면에서는 일산화탄소와 산소가 골고루 비슷한 비율로 흡착되어 서로 반응할 기회가 높아졌고, 이로 인해 촉매 반응이 크게 향상됐다. 이러한 성능 향상의 핵심은 ‘셀레늄 결손’으로 인해 노출이 확대된 표면 백금 원자들이 드러나면서 기체들이 붙을 수 있는 흡착점도 늘어났다는 데 있다.

연구팀은 해당 백금 원자들이 실제 반응 과정에서 흡착점으로 작용했다는 사실을 포항가속기연구소에서 수행된 상압 엑스선 광전자분광(AP-XPS) 분석을 통해 실시간으로 확인했다.

이러한 고정밀 분석은 1나노미터(㎚) 수준의 표면을 상압 환경에서 관찰할 수 있는 고도 장비 덕분에 가능했다. 동시에 컴퓨터 시뮬레이션 계산을 통해, 백금 셀레나이드가 일반 백금과는 다른 전자 흐름의 특성을 가지고 있음을 이론적으로도 입증했다.

박 교수는 “이번 연구는 기존 백금 촉매와 다른 이차원 층상 구조의 백금 셀레나이드를 활용, 기체 반응에 특화된 촉매 기능을 이끌어낸 새로운 설계 전략을 제시한 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 지난 3일자로 게재됐다. 구본혁 기자