[투데이에너지 장재진 기자] 카이스트(KAIST) 연구팀이 대기 오염 저감을 위한 혁신적인 신개념 원자 촉매 설계 개념을 제시하여 주목받고 있다.
카이스트는 22일 박정영 석좌교수 연구팀이 충남대학교 김현유 교수, 미국 센트럴플로리다대학교(UCF) 정연웅 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 이차원 신소재인 백금 셀레나이드(PtSe₂) 표면의 백금 원자를 활용하여 일산화탄소 산화 성능을 획기적으로 개선하는 데 성공했다고 밝혔다.
백금 셀레나이드를 활용한 차세대 촉매 기술
연구팀에 따르면 이번 연구의 핵심은 백금 셀레나이드(PtSe₂)이다. 이는 백금(Pt)과 셀레늄(Se)이 층상 구조로 결합된 이차원 물질로, 뛰어난 결정성과 층간 상호작용 제어를 통해 다양한 물리·화학적 특성을 조절할 수 있어 반도체, 광검출기 등 여러 분야에서 활발히 연구되어 왔다. 연구진은 이 백금 셀레나이드 표면에 존재하는 원자 수준의 백금이 기체 반응에 대한 촉매로 기능할 수 있다는 새로운 설계 개념을 제시했다. 이는 차세대 고효율 이산화탄소 전환 및 일산화탄소 저감 촉매 기술로서의 가능성을 입증한 것이다.
적은 백금으로 높은 촉매 효율 달성
연구진은 촉매 성능을 극대화하기 위해 기존의 백금 덩어리 형태 대신, 백금 원자가 표면에 고밀도로 분산되도록 설계했다. 이를 통해 더 적은 양의 백금으로도 더 많은 촉매 반응을 유도할 수 있었다. 또한, 표면의 전자 구조를 정밀하게 제어하여 백금과 셀레늄 간의 전자 상호작용을 활성화시켰다.
특히, '셀레늄 결손(Se-vacancy)' 현상을 활용하여 표면에 노출된 백금 원자 수를 늘리고, 이를 통해 반응 기체인 일산화탄소와 산소가 표면에 골고루, 비슷한 비율로 흡착되도록 유도하여 촉매 반응성이 크게 향상됐다. 이렇게 제작된 수 나노미터 두께의 백금 셀레나이드 박막은 동일 조건의 일반 백금 박막보다 넓은 온도 범위에서 우수한 일산화탄소 산화 성능을 보였다.
고정밀 분석을 통한 성능 입증
연구팀은 포항가속기연구소의 고도 장비인 상압 엑스선 광전자분광(AP-XPS) 분석을 통해, 백금 원자들이 실제 촉매 반응 중에도 활성점으로 작용한다는 사실을 실시간으로 확인했다. 또한, 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 백금 셀레나이드가 일반 백금과는 다른 전자 흐름 특성을 가지고 있으며, 백금-셀레늄 전자 구조 변화가 촉매 반응성과 상관관계가 있음을 이론적으로 규명했다.
박정영 교수는 “이번 연구는 기존 백금 촉매와 차별화되는 이차원 층상 구조의 백금 셀레나이드를 활용하여 기체 반응에 특화된 촉매 기능을 이끌어낸 새로운 설계 전략을 제시한 것”이라고 밝히며 “원자 단위 설계, 이차원 물질 플랫폼, 흡착 조절 기술 등을 통해 고효율 촉매 반응 메커니즘을 구현할 수 있었다”고 강조했다.
연구의 의의 및 향후 계획
이번 연구는 국내 유기성 폐자원 처리의 환경적, 경제적 문제를 해결할 뿐만 아니라, 청정 에너지원인 수소를 고효율로 생산할 수 있는 중요한 진전이다. 백금 사용량을 줄이면서도 촉매 효율을 극대화하는 이 기술은 탄소 중립 및 수소 경제 활성화에 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 카이스트 화학과 한규호 박사, 충남대 신소재공학과 최혁 박사, 인하대 김종훈 교수가 공동 제1 저자로 참여했으며, 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 7월 3일 자로 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부, 교육부, 미국 국립과학재단(NSF) 등의 지원을 받아 수행됐다.
■용어 설명
1. 상압 XPS 분석 =XPS를 포함한 대부분의 표면 분석 기법은 일반적으로 대기압보다 약 1천억 분의 1 수준으로 낮은 초고진공 환경을 필요로 한다. 이러한 제약을 극복한 근상압 조건에서의 XPS 분석은 극도로 정밀한 제어 기술이 요구되며, 세계적으로도 소수의 장비만이 존재한다.
2. 가속기 기반 분석= 엑스선의 에너지를 조절하며 수행하는 다양한 정밀 분석은 일반적으로 가속기 시설에서만 가능하다. 따라서 해당 분석은 희소성 및 연구적 가치가 매우 높다.
3. 기체 흡착= 불균일촉매를 기반으로 한 기체 반응은 일반적으로 기체 분자들의 고체 표면의 흡착점에 대한 흡착, 표면 반응, 그리고 생성물의 탈착 과정으로 이루어진다. 이때 표면에 대한 흡착 과정은 많은 경우 촉매 성능을 결정짓는 주요 단계로 작용한다.
4. 셀레늄 결손(Se-vacancy)= PtSe2 구조는 여러 layer들이 적층된 구조이고, 각각의 layer는 다시 Se-Pt-Se 층이 적층되어 있는 형태이다. 여기서 일부 Se 원자가 떨어져나갈 경우 해당 자리를 셀레늄 결손이라 부르고, 이때 기존에 셀레늄 아래에 있던 백금 원자가 표면에 노출되어 촉매 반응의 활성점으로 기능할 수 있다.