이동일 교수팀, 이산화탄소 전환 촉매의 반응 활성점 규명

화학 분야 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)' 게재

이과대학 화학과 이동일 교수 연구팀(제1저자 성호은 통합과정생)은 서울시립대 화학공학과 유종석 교수 연구팀과 공동연구를 통해 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환할 수 있는 금 거대원자 촉매의 반응 활성점을 원자 수준으로 규명했다. 거대원자(superatom)란 수십 개 이하의 금속 원자로 구성된 초소형 나노입자로, 입자의 조성과 구조를 원자 수준으로 제어할 수 있는 새로운 기능성 소재이다.

[그림. 본 연구에 사용된 금 거대원자 모델 촉매의 원자 구조. 금색과 노란색은 금(Au) 원자를, 녹색은 황(S) 원자를 나타낸다.]

온실가스 저감 노력의 일환으로 전 세계 여러 연구진은 전기화학적 이산화탄소 전환 연구를 다년간 진행해 왔다. 하지만 촉매 표면의 불균일성과 반응 조건에서 촉매가 변화하는 문제로 인해 촉매 반응의 활성점이 명확히 알려져 있지 않았다. 

이동일 교수 연구팀은 입자가 각각 25, 38, 144개의 금 원자로 구성된 Au₂₅, Au₃₈, Au₁₄₄ 거대원자를 합성해, 이산화탄소 전환 촉매반응 특성과 촉매구조를 비교∙분석했다. 이를 통해 금 거대원자 촉매가 활성화 과정을 거쳐 높은 촉매 활성과 반응 선택성을 갖는 활성점을 거대원자 표면에 형성하며, 거대원자의 촉매 활성은 형성된 활성점의 수에 의해 결정됨을 실험적으로 입증했다. 또한, 연구팀은 이론적인 계산을 통해 활성점이 갖는 높은 전자밀도와 반응에 최적화된 에너지 준위가 높은 촉매 특성의 근원임을 밝혀냈다. 

이동일 교수는 “거대원자 모델 촉매를 이용해 이산화탄소 전환 촉매반응을 원자 수준으로 이해하고, 고성능 촉매를 효율적으로 개발할 수 있음을 보여주는 연구결과”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구는 과학기술정보통신부의 Carbon-to-X 기술 개발 사업과 한국전력연구원의 지원을 받아 수행됐으며, 화학 분야 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie, IF 12.959)’에 최근 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Atomically Precise Gold Nanoclusters as Model Catalysts for Identifying Active Sites for Electroreduction of CO₂

● 논문주소: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ange.202102887