IBS, 금속 촉매 설계 새 단서 발견… 결합 세기 좌우하는 요인 찾아

촉매 금속 표면에서 멀리 퍼지는 화학 결합의 전자적 영향 모식도./과학기술정보통신부

국내 연구진이 금속 촉매 표면에서 멀리 떨어진 원자 구조도 화학 결합의 세기에 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다. 기존에는 분자가 직접 맞닿는 주변 원자들이 결합 세기를 결정하는 주요 요인으로 여겨졌다.

과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단과 독일 막스플랑크 다학제과학연구소 공동 연구진이 금속 촉매의 새로운 화학 결합 원리를 규명했다고 29일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’에 30일 게재됐다.

금속 촉매는 화학 반응을 빠르게 진행하도록 돕는 물질로, 화학제품과 연료 생산 등에 활용된다. 촉매 표면에 분자가 얼마나 강하게 달라붙는지는 화학 반응의 효율을 결정하는 중요한 요소다.

연구진은 원자가 계단처럼 배열된 백금 표면을 제작해 암모니아와 일산화탄소, 일산화질소 분자의 결합 세기를 비교했다. 그 결과 분자가 붙는 지점의 구조가 비슷해도 주변 원자계단까지의 거리에 따라 결합 세기가 달라지는 것으로 나타났다.

이러한 영향은 분자 종류에 따라 약 4~7㎚(나노미터·10억분의 1m) 떨어진 거리에서도 확인됐다. 결합 에너지는 최대 약 0.2전자볼트(eV) 차이를 보였다.

연구진은 금속 내부에 넓게 퍼져 있는 전자들이 이러한 현상을 일으킨다고 분석했다. 분자가 금속 표면에 결합할 때 바로 인접한 원자뿐 아니라 멀리 떨어진 원자 구조도 전자를 통해 영향을 줄 수 있다는 것이다.

이를 설명하기 위해 분자와 금속 내부 전자의 특성을 함께 고려한 새로운 이론 모델도 제시했다. 분자마다 전자 상태의 특성이 달라 금속 내부의 서로 다른 전자 상태와 상호작용하며, 이에 따라 같은 금속 표면에서도 분자의 종류에 따라 장거리 영향이 달라진다는 점을 설명한다.

드미트리 보로딘(Dmitriy Borodin) IBS 양자나노과학 연구단 그룹리더는 “이제 촉매 개발은 오랜 실험과 시행착오에서 벗어나 화학 반응의 원리를 바탕으로 원하는 특성을 예측하고 설계하는 방향으로 나아가고 있다”며 “이번 연구가 효율적인 촉매 설계에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

참고 자료

Science(2026), DOI: https://doi.org/10.1126/science.aei5255

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