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연세소식

[연구 프론티어] 오문현 교수 연구팀, 2원계 금속 나노입자를 함유하는 고성능 중공형 촉매제 개발

연세대학교 홍보팀 / news@yonsei.ac.kr
2019-02-07

오문현 교수 연구팀, 2원계 금속 나노입자를 함유하는 고성능 중공형 촉매제 개발

보다 복잡하고 목적 지향적인 촉매제 개발 가능성 높여



오문현 교수(화학과)와 최소라 박사 연구팀이 2원계 금속 나노입자를 함유하는 고성능 중공형 촉매제를 개발하는 데 성공했다. 본 연구 성과가 화학분야 국제 최상위 학술지인 ‘앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)’에 소개됐다. 


귀금속 나노입자는 광범위한 분야에서 활용되고 있는 중요한 소재다. 하지만 소재의 높은 표면에너지 탓에 사용 중 나노입자가 응집되는 현상이 발생하면서 점차적으로 나노입자의 활성이 감소되는 문제가 있어 왔다. 또한 귀금속 나노입자의 가격이 높기 때문에 대량으로 상용화하기에는 경제적인 부담이 있다. 


이에 따라 귀금속 나노입자가 응집되지 않도록 다공성 지지체에 나노입자를 균일하고 안정적으로 함유시킨 복합체를 개발하거나, 비교적 값이 저렴한 전이금속과 귀금속의 혼합을 통해 2원계 금속 나노입자를 형성하여 소재의 활성을 유지한 상태에서 가격을 낮추려는 연구들이 진행되고 있다. 



한편, 중공형 지지체는 일반 지지체에 비해 밀도가 낮고 분산성이 높아 촉매 반응에 사용될 경우 반응에 관여되는 반응물과 생성물의 확산을 증가시켜서 전반적인 반응 효율을 향상시킨다고 알려져 있다. 그러나 2원계 금속 나노입자를 이상적인 중공형의 다공성 지지체에 균일하게 함유시킬 수 있는 직접적이고 단일화된 제조방법은 아직까지 개발되지 않고 있다.


본 연구에서는 2원계 금속 나노입자를 함유하는 고성능 중공형 촉매제의 직접적이고 효율적인 제조를 위해 먼저 원하는 성분이 알맞은 위치에 이상적으로 구성되어 있는 혼성 배위고분자 물질 전구체(polystyrene@ZIF-67/Pd2+)를 디자인했다. 나아가 합성된 전구체의 소재 변환을 위해 열처리를 하는 과정에서 온도를 조절함으로써 추후 생성되는 촉매 지지체(다공성 배위고분자 혹은 다공성 탄소소재)와 2원계 금속(PdCo) 나노입자의 성분 및 크기를 손쉽고 체계적으로 제어할 수 있는 획기적인 방법론을 제시했다. 뿐만 아니라 이렇게 제조된 중공형 촉매제를 유독성 물질인 나이트로화합물과 크로뮴(VI) 이온의 환원반응에 활용했을 때 기존에 사용되는 여러 촉매제에 비해 월등한 촉매 활성도를 나타냄을 검증함으로써 합성된 중공형 촉매제를 여러 차례 재사용 후에도 초기의 촉매 활성이 잘 유지되는 것을 확인했다. 



오문현 교수는 “이번 연구는 배위고분자 물질의 다공 특성과 열적 변환 메커니즘에 착안하여, 다양한 성분의 이상적인 배분과 전구체의 열처리 온도 조절을 통하여 최종적으로 생성되는 다공성 지지체 및 촉매제의 형태와 종류를 체계적으로 조절할 수 있는 일원화된 방법을 개발한 데 의의가 있다.”며 “향후 이를 바탕으로 보다 복잡하고 목적 지향적인 촉매제를 개발할 수 있는 방향을 제시할 것으로 기대된다.”고 전했다. 



[그림] 2원계 금속 나노입자가 균일하게 분산된 고성능 중공형 촉매제 제조 모식도



 

vol. 620
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