카이스트, '촉매 반응 활성도' 분석 플랫폼 개발

백금나노입자-세륨산화물 촉매로 구성된 정량분석 플랫폼[자료=KAIST]

카이스트(KAIST)가 연료전지·수소생산·배기가스 정화 등 화학반응에 기여하는 금속 나노촉매의 활성도를 분석하는 플랫폼을 개발했다.

KAIST는 정우철 신소재공학과 교수, 이강택 기계공학과 교수와 김현유 충남대 교수 공동 연구팀이 금속 나노입자 기반 분석 플랫폼을 개발했다고 28일 발표했다.

촉매는 반응 과정에서 소모되거나 변하지 않으면서 반응 속도를 빠르게 해주는 물질을 말한다. 반응에 참여하지만 소모되지 않기 때문에 소량만 있어도 반응 속도에 지속 영향을 미칠 수 있다. 백금을 활용해 화석연료 연소로 발생하는 배기가스의 유해 부산물을 분해하는 게 대표적이다.

연구팀은 균일한 크기의 금속 나노입자 합성 기술과 3차원 전자 단층촬영 기법으로 촉매 핵심 반응점인 금속-가스-산화물과 금속-가스상 접합 계면의 수를 정량적으로 분석했다. 이 같은 결과를 측정된 촉매 반응성과 연계하는 식으로 촉매 반응 활성도를 정량적으로 분석할 수 있는 플랫폼을 설계했다.

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이강택 KAIST 기계공학과 교수[사진=KAIST]

카이스트에 따르면 나노입자로 구성된 촉매 소재는 높은 작동 온도에서 서로 응집되는 특성이 있다. 이는 결과적으로 촉매 활성을 저해하는 한계로 작용한다. 또 실제 반응 작동 환경에서 금속 입자 촉매의 구체적인 반응 활성 지점이 어디인지, 각 지점에서의 반응 활성도는 얼마나 되는지 그 양을 정량적으로 비교·분석할 수 없었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 균일한 크기로 금속 나노입자 촉매를 합성해 입자의 구조를 제어했다. 이를 산화물 막으로 감싸는 코팅기술을 적용, 고온에서 나노입자가 응집되는 현상을 해결했다는 설명이다. 연구팀 측은 "이번 연구에서 대표 귀금속 촉매인 백금과 고온 촉매 반응인 메탄산화반응을 활용했으나, 향후 소재·반응 종류에 상관없이 다양한 분야에 폭넓게 응용·적용될 수 있다"고 강조했다.

연구 논문에는 이시원 KAIST 신소재공학과, 하현우 박사후연구원, 배경택 기계공학과 박사과정생 공동 제1저자로 참여했다. 이 논문은 재료화학분야 국제 학술지 '켐(Chem)'에 이달 23일자로 온라인판에 게재됐다. 아울러 이번 연구는 한국연구재단 나노·소재원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며 양용수 KAIST 물리학과 교수, 김봉수 광주과학기술원(GIST) 교수 연구팀도 참여했다.

정우철 교수는 "금속 나노입자 촉매 반응의 특성을 정량적으로 분석할 수 있는 고신뢰성 측정 플랫폼을 구축했다"면서 "이는 앞으로 우수한 복합촉매 소재 선별 등 촉매설계 종합 솔루션을 제공하는 데 활용될 것"으로 기대했다.