멀리 떨어진 원자도 화학 결합에 영향…금속 촉매 새 원리 규명

IBS·독일 막스플랑크 공동연구…결합 에너지 최대 0.2eV 차이 확인
장거리 전자 효과 규명…정밀 촉매 설계 기대

촉매 금속 표면에서 멀리 퍼지는 화학 결합의 전자적 영향 모식도.(과기정통부 제공)

(서울=뉴스1) 나연준 기자 = 금속 촉매 표면에서 분자가 결합한 지점으로부터 수 나노미터(㎚) 떨어진 원자 구조도 화학 결합의 세기에 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌다. 촉매의 성능을 보다 정확하게 예측하고 개선하는 데 기여할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단과 독일 막스플랑크 다학제과학연구소 공동연구팀이 금속 촉매 표면에서 나타나는 장거리 전자 효과를 규명했다고 30일 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 '사이언스'(Science)에 게재됐다.

금속 촉매는 화학제품과 연료 생산 등에 활용되는 물질이다. 촉매를 이용한 화학반응은 분자가 금속 표면에 달라붙는 과정에서 시작되며, 이때 결합 세기는 반응이 얼마나 원활하게 진행되는지를 좌우하는 핵심 요인이다.

그동안 분자와 금속 사이의 화학 결합은 주로 분자가 직접 맞닿는 주변 원자들과의 상호작용으로 설명돼 왔다. 멀리 떨어진 원자 구조가 결합 세기에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 여겨졌다.

연구진은 원자들이 계단 모양으로 배열된 백금 표면을 이용해 이러한 기존 인식과 다른 현상을 확인했다.

원자계단 사이의 간격이 서로 다른 백금 표면을 제작한 뒤 암모니아(NH₃), 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO) 분자가 금속과 결합하는 세기를 측정·비교했다.

그 결과 분자가 붙는 지점의 구조가 유사하더라도 이웃한 계단까지의 거리에 따라 결합 세기가 달라졌다. 결합 에너지 차이는 최대 약 0.2전자볼트(eV)였으며 장거리 영향이 나타나는 특성 거리는 분자 종류에 따라 약 4~7㎚였다.

연구진은 금속 내부에 넓게 퍼진 전자들이 분자의 전자와 상호작용하면서 멀리 떨어진 원자 구조의 영향까지 전달한다는 사실을 밝혀냈다.

또한 분자마다 장거리 영향이 다르게 나타나는 이유를 설명하기 위해 분자 궤도와 전자띠 개념을 결합한 '프런티어 오비탈-밴드 모델'을 제시했다.

드미트리 보로딘 IBS 양자나노과학 연구단 그룹리더는 "이번 연구가 화학 결합에 대한 이해를 넓혀 보다 정교한 계산과 효율적인 촉매 설계에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

yjra@news1.kr