미세한 백금 원자를 이차원 신소재에 고르게 퍼뜨려 일산화탄소 등 유해 기체를 효과적으로 제거하는 새로운 촉매 기술이 개발됐다. 기존 백금 촉매보다 반응성이 높고, 사용량은 적어 대기오염 저감기술의 새 가능성이 열렸다.
한국과학기술원(KAIST)과 충남대, 미국 센트럴플로리다대(UCF) 연구진은 이차원 신소재 '백금 셀레나이드(PtSe2)'를 활용해 기존보다 반응성이 뛰어난 기체 촉매를 개발했다고 22일 밝혔다.
새로운 기술의 핵심은 백금 원자를 눈에 보이지 않을 정도로 작게 그리고 많이 흩뿌려 놓는 방식이다. 일반적으로 덩어리 형태로 쓰이던 백금을 원자 단위로 나눠 표면에 고르게 분산시켰고, 그 결과 훨씬 적은 양으로도 더 많은 오염물 반응을 유도할 수 있었다.
이 촉매는 일산화탄소(CO)를 산화시켜 이산화탄소로 바꾸는 반응에서 특히 뛰어났다. 얇은 백금 셀레나이드 박막은 같은 조건에서 일반 백금 박막보다 전 온도에서 더 나은 성능을 보였다. 연구진은 "기체들이 표면에 고르게 흡착돼 서로 잘 만나 반응이 활발해진 것"이라고 설명했다.
이런 구조를 가능하게 만든 건 '셀레늄 결손'이다. 층상 구조를 이루는 셀레늄 원자 일부를 비워 표면 백금이 드러나도록 했고, 그 자리들이 일종의 흡착 포인트가 되어 반응성을 키웠다.
촉매 반응이 실제로 일어나는 순간도 실시간으로 관찰했다. 연구진은 포항가속기연구소의 상압 X선분광(AP-XPS)을 활용해, 반응 중 백금 표면의 전자 변화와 기체 흡착 상태를 1나노미터 단위로 확인했다. 여기에 컴퓨터 시뮬레이션으로 백금과 셀레늄 전자 흐름의 특징도 이론적으로 분석했다.
박정영 KAIST 교수는 "이번 연구는 기체 반응에 특화된 촉매 기능을 이끌어낸 새로운 설계 전략을 제시한 것"이라며, "백금과 셀레늄 사이의 전자적 상호작용이 일산화탄소와 산소를 균형있게 흡착하는 반응 조건을 만들었고 기존 백금보다 전체 온도내에서 반응성이 높도록 설계하여 실제 적용성이 향상되게 하였다"고 밝혔다.
이번 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 7월 3일자 온라인에 게재됐다.
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