이동일 교수팀, 귀금속 촉매의 활성점 이식 전략 개발

화학 분야 최고 권위 학술지 ‘Journal of the American Chemical Society’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 이동일 교수, 성호은 연구원, 조용성 연구원]

화학과 이동일 교수 연구팀(공동 제1저자: 성호은 통합과정생, 조용성 통합과정생)은 원자 수준의 촉매 활성점 이식 전략을 통해 귀금속 촉매의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 전략을 개발했다.

전기화학적 방법을 통해 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하는 연구는 탄소 저감과 재생 에너지의 저장 수단으로 주목을 받고 있다. 일반적으로 이산화탄소 전환 반응을 통해 일산화탄소, 개미산, 탄화수소, 알코올 등 다양한 화합물이 생산될 수 있다. 그중 일산화탄소는 합성 가스 및 고분자 중합 반응 등 다양한 반응에서 전구체로 사용되기 때문에 산업적으로 중요한 생성물 중 하나이다. 일산화탄소를 높은 선택성으로 생성하기 위해서는 금 또는 은과 같은 귀금속 기반의 촉매가 주로 사용되고 있다. 

하지만 이와 같은 귀금속 촉매의 경우 표면 금속만 촉매 반응에 사용되며, 내부에 존재하는 금속 원자는 반응에 참여하지 않고 지지체 역할만을 하게 된다. 실제로 이동일 교수 연구팀은 최근 금 원자 25개로 구성된 Au25 나노입자를 이용한 이산화탄소 촉매 반응 연구에서 촉매 표면에 6개의 촉매 활성점이 존재하고 나머지 19개의 금 원자는 지지체 역할을 하고 있다는 사실을 원자 수준으로 밝혀낸 바 있다(Angewandte Chemie 2021). 이처럼 반응에 사용되지 않는 많은 양의 귀금속은 촉매의 가격을 크게 향상시켜 상용화의 걸림돌로 작용하고 있다.

[그림. 니켈 나노입자 지지체(왼쪽)에 금 활성점의 선택적 이식을 통한 고활성 촉매(오른쪽) 제조]

이동일 교수 연구팀은 값이 저렴하고 매장량이 풍부한 금속 중 하나인 니켈 원자 4개로 구성된 Ni4 나노입자의 지지체 활용 가능성에 주목했다. 위 그림에 묘사된 바와 같이, Ni4 나노입자 중 2개의 니켈 원자를 4개의 금 원자로 선택적으로 치환해 금 활성점을 원자 수준으로 이식한 Au4Ni2 나노입자 촉매를 성공적으로 합성했다. Ni4 나노입자 촉매의 경우, 이산화탄소 전환 반응에 대한 활성이 매우 낮지만, 금 활성점이 이식된 Au4Ni2 나노입자는 높은 선택성(95% 이상)으로 일산화탄소를 생성할 수 있음을 확인했다. 

또한, 연구팀은 전기화학 촉매 반응 중 실시간 분광분석법을 이용해 지지체로 존재하는 니켈 원자는 일산화탄소 중간체에 의해 피독되며, 실제로 이식한 금 원자가 이산화탄소 전환 반응 활성점으로 작동한다는 반응 메커니즘을 원자 수준에서 규명했다. Au4Ni2 나노입자 촉매 내의 모든 금 원자는 촉매 표면에 노출돼 있기 때문에 매우 높은 물질 활용률을 나타냈으며, 사용된 금 1g당 하루 310kg 이상의 일산화탄소 생성이 가능함을 실험적으로 입증했다.

이동일 교수는 “원자 수준의 활성점 이식 전략을 통해 귀금속 촉매의 물질 활용률을 획기적으로 향상시킨 연구 결과로, 다양한 귀금속 기반 촉매 연구에서 반응 활성점 이식 전략이 활용될 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다. 

본 연구는 한국연구재단의 Carbon-to-X 기술 개발 사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 화학 분야 최고 권위 학술지인 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, IF 16.383)’에 최근 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Transplanting Gold Active Sites into Non-Precious-Metal Nanoclusters for Efficient CO2-to-CO Electroreduction

● 논문주소: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c09170