"멀리 떨어진 원자도 화학 결합에 영향"…금속 촉매 새 원리 발견

IBS·독일 막스플랑크 공동연구팀
백금 표면 원자계단 간격 달리해 실험
4~7나노미터 거리서도 결합 세기 영향

금속 촉매 표면에 분자가 달라붙었을 때, 금속 내부의 전자들이 상호작용하면서 결합 지점에서 떨어진 곳까지 영향을 미치는 모습을 표현한 모식도. 과학기술정보통신부 제공

금속 촉매에 분자가 얼마나 강하게 달라붙는지는 바로 옆 원자뿐 아니라 수 나노미터 떨어진 원자들의 배열에도 영향을 받는다는 사실을 국내 연구진이 참여한 국제 공동연구팀이 밝혀냈다. 이번 발견은 화학 반응을 촉진하는 금속 촉매의 성능을 정확하게 예측하고 설계하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

29일 과학기술정보통신부에 따르면 드미트리 보로딘 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단 그룹리더가 공동 교신저자로 참여한 국제 공동연구팀이 금속 촉매의 화학 결합에 관한 새로운 원리를 밝혀냈다. 연구는 독일 막스플랑크 다학제과학연구소와 함께 진행했다.

금속 촉매는 화학 반응을 촉진하는 물질인 촉매의 한 종류로, 백금이나 철 등 금속을 이용한다. 분자가 금속 표면에 얼마나 강하게 달라붙는지가 촉매의 성능을 좌우하는 중요한 요소다. 그동안 금속 표면에 붙은 분자가 멀리 떨어진 영역의 전자에도 영향을 미친다는 사실은 알려져 있었지만, 결합 세기는 주로 분자가 직접 맞닿는 주변 원자들과의 상호작용으로 결정된다고 여겨졌다.

연구팀은 원자들이 계단처럼 배열된 백금 표면에서 계단 간격을 달리하며 암모니아와 일산화탄소, 일산화질소 분자가 얼마나 강하게 달라붙는지 측정했다. 그 결과 분자가 달라붙는 위치의 구조가 비슷해도 주변 원자계단과의 거리에 따라 결합 세기가 달라졌다. 이처럼 결합 세기에 영향을 미치는 거리는 분자 종류에 따라 약 4~7나노미터(nm)로 분석됐다. 원자 수십 개를 나란히 늘어놓은 정도의 거리다.

이는 금속 내부 전자들이 특정 원자에 머무르지 않고 넓게 퍼져 있기 때문이다. 분자의 전자와 금속의 전자가 상호작용하면서 멀리 떨어진 원자 구조도 화학 결합의 세기에 영향을 미치는 것이다. 연구는 30일 국제학술지 사이언스에 실렸다.

드미트리 보로딘 기초과학연구원(IBS) 그룹리더 겸 이화여대 물리학과 연구교수. 과기정통부 제공

양진하 기자 realha@hankookilbo.com