기초과학연구원, 촉매 나노다이오드 개발…‘1000조분의1초’ 화학전류 측정

[기초과학연구원(IBS) 박정영 박사, 사진제공-IBS]

아주경제 정광연 기자 =국내 연구진이 나노촉매의 표면에서 화학반응이 일어날 때 펨토초(Femtosecond, 1000조분의 1초) 단위로 발생하는 화학전류를 측정하는 데 처음으로 성공했다.

기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡)은 15일 박정영 박사팀이 나노촉매 표면의 화학반응을 관찰할 수 있는 촉매 나노다이오드를 개발, 나노촉매 반응 시 표면에서 발생하는 화학전류를 실시간 측정했다고 밝혔다.

이 연구 결과는 화학분야 국제저널 ‘안게반테케미(Angewandte Chemi International Edition, 2월 4일자)’ 온라인에 게재됐다.

표면이 나노구조로 돼 있어 표면적이 넓고 반응성 높은 나노촉매의 화학적 현상 규명은 차세대 촉매 개발에 매우 중요하다. 그러나 나노촉매 표면에서 분자들의 탈착 및 활성을 일으키는 것으로 알려진 열전자(hot electron)는 수명이 펨토초 수준으로 매우 짧아 이를 검출하는 데 한계가 있었다.

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연구진은 열전자 흐름을 측정하기 위해 얇은 금 박막과 이산화티타늄(TiO) 층으로 이뤄진 나노다이오드 표면 위에 크기가 1.7나노미터(㎚=10억분의 1ｍ)와 4.5㎚인 백금 나노촉매를 2차원 단층으로 배열해 나노촉매 소자 시스템을 만들었다.

이 나노촉매 소자를 이용해 수소 산화반응 중 금속 나노촉매 표면에서 발생한 열전자 흐름을 검출하고 나노입자의 크기에 따른 촉매 활성도 및 촉매 에너지 변화를 정량적으로 비교하는 데 성공했다.

나노촉매 크기가 1.7나노미터일 때 표면의 화학전류 생성 효율이 나노촉매 크기가 4.5나노미터일 때보다 5배 높았고 촉매활성도도 50% 증가하는 것으로 나타났다.

박정영 박사는 “이 연구는 나노촉매 위에 생성되는 열전자를 측정, 나노 물질 표면에서 일어나는 화학촉매와 열전자 간 반응 메커니즘에 대한 이해에 이론적 기반을 제공했다”며 “열전자를 이용한 고효율 나노촉매 개발과 에너지 소모 절감을 통해 에너지·환경분야에도 기여할 것”이라고 말했다.