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이산화탄소 분해 과정 원자 수준에서 관찰하다
대기 중의 온실가스를 제거하고 미래 청정 원료를 생산하기 위해 신재생에너지를 활용한 전기화학적 전환 기술은 탄소중립 달성을 위한 산업계 체제 전환 대응 핵심 기술로 주목받고 있다. 하지만, 이산화탄소를 산업적으로 분해/활용하기 위해서 최근 단원자 전이 금속 촉매가 이산화탄소를 분해하는 차세대 촉매로 큰 기대를 모으고 있으나 아직 이 화학반응 메커니즘 및 촉매 활성 부위가 명확히 밝혀지지 않아 고성능 촉매를 개발하는데 여전한 큰 걸림돌이 돼 왔다.
우리 대학 화학과 박정영 교수 연구팀이 이산화탄소(CO2) 전기환원 과정에서 단원자 구리(Cu) 금속 촉매가 분해되는 과정을 실시간 원자단위로 관찰하고, 주된 반응 활성자리임을 규명하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.
전기화학 반응을 이용한 이산화탄소 전환 기술은 공정과 반응 조건이 비교적 간단하면서도 특히 구리 기반 촉매를 사용하면 열역학적 방법으로는 불가능한 고부가가치 화합물을 생산할 수 있어 연구활용 가치 기대가 매우 높다. 하지만, 이산화탄소의 환원반응은 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 에탄올(C2H5OH), 수소(H2) 등의 다양한 생성물들을 함께 만들어 낼 뿐만 아니라 촉매 표면 구조의 변화를 일으킨다는 문제점이 함께 한다. 따라서, 이를 해결하기 위해 전극 표면에서 일어나는 이산화탄소의 환원반응 경로 규명 및 표면 구조 거동 분석이 매우 중요해지고 있으나 액체 전해질 환경에서 반응이 이루어지는 탓에 분석에 어려움을 겪고 있다.
박 교수 연구팀은 전기화학 주사 터널링 현미경(EC-STM) 분석법을 적용해 단원자 구리금속 촉매 표면에서 일어나는 이산화탄소 환원반응을 관찰하고, 이때 표면에 형성되는 산화구리 나노 복합체가 주된 반응 활성자리임을 시각적 증거로 처음 제시했다. 연구진은 구리 전극 표면이 이산화탄소 전환과정에서 환원되며 반응 활성도 및 촉매 표면 구조가 달라진다는 점에 착안, 액체-고체 계면에서 단원자 구리금속 촉매 전극과 반응하는 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 원자단위로 포착했다.
우리 대학 박정영 교수는 “이번 연구는 액체-고체 계면 분석에 난항을 겪고 있는 상황에서 단원자 구리금속 기반 촉매 표면의 이산화탄소 전기환원 반응 현상을 원자수준으로 관찰할 수 있었고, 이를 통해 촉매 물질의 활성자리를 결정하고 정밀한 화학반응 경로 설계가 가능하다. 이러한 기술성과는 차후에 이산화탄소의 전기화학적 전환 연구 외에도 탄소중립 정책을 위한 다양한 촉매 소재 연구개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
한편, 기초과학연구원, 한국과학기술연구원(KIST), 한국산업통상자원부 그리고 한국연구재단(NRF)의 지원을 받은 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science IF 17.5)’내부 표지 논문으로 최근 선정됐으며 11월 29일 자로 온라인 게재됐다. (논문 제목: In Situ Probing of CO2 Reduction on Cu-Phthalocyanine-Derived CuxO Complex)
2023.12.28 조회수 3619 -
상온에서 쉽게 이산화탄소 실시간 분해하다
기후변화를 포함한 환경 및 에너지 문제에 직접 맞닿아 있는 온실가스 전환 기술은 주로 G7 국가를 비롯한 OECD 회원국들을 중심으로 최근 많은 논의가 이뤄지고 있으며, 대한민국 역시 2050년까지 탄소중립 글로벌 스탠다드 달성을 위해 산・학・연 및 민・관 협력 연구를 활발히 촉진하고 있다. 대기 중의 온실가스를 제거함과 동시에, 미래 청정 연료로 주목받는 메탄올 합성에 필요한 이산화탄소 분해 반응은 탄소중립 달성을 위한 산업계 패러다임 전환 대응에 필요한 핵심 기술이지만, 이산화탄소 분자가 화학적으로 매우 안정된 탓에 공업적으로 유용한 화학 물질로의 전환은 여전히 난제로 여겨진다.
우리 대학 화학과 박정영 교수 연구팀이 광주과학기술원 (GIST) 물리·광과학과 문봉진 교수 연구팀과 공동연구를 통해 초미세 계단형 구리(Cu) 촉매 표면이 이산화탄소(CO2) 분자를 보다 효과적으로 분해할 수 있음을 입증했다고 26일 밝혔다.
포집된 온실가스의 전환은 일반적으로 고온・고압의 촉매 화학반응 환경에서 이뤄지고 있다. 보통 구리 기반 촉매물질을 이용하여 이산화탄소 분자가 일산화탄소(CO) 및 산소 원자(O)로 분해할 때 수십 기압에 이르는 고압 반응환경이 요구된다. 따라서, 기존의 촉매 물질을 개선하고 최적의 이산화탄소 전환 반응을 유도함으로써 온실가스의 전환 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 촉매의 개발이 필요한 실정이다.
상압 전자터널링 현미경(AP-STM) 기술을 활용해 직접 관찰된 연구팀의 이번 연구 결과는, 머리카락 두께의 10만 분의 1 크기의 계단형 표면 구조가 온실가스의 분해 반응 향상에 크게 기여한다는 시각적 증거를 처음으로 제시했다. 연구진은 그 크기가 수 옹스트롬(Å·100억 분의 1 미터)에 불과한 이산화탄소 분자는 촉매 물질의 표면 구조에 따라서 반응 활성도가 달라질 수 있다는 점에 착안, 머리카락 두께의 10만 분의 1에 불과한 계단형 초미세 구리 표면과 반응하는 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 포착했다.
초미세 계단형 구조를 갖는 구리 원자의 표면 배열은 평평한 구조를 갖는 넓은 구리 표면 구조에 비해 훨씬 낮은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 온실가스의 분해가 상대적으로 용이하다. 연구진은 관찰 결과, 구리 촉매 표면의 계단 위치와 충돌한 이산화탄소 분자가 상온에서도 쉽게 분해됐고, 더 나아가 분해된 일산화탄소 분자와 산소 원자가 표면의 구조변화를 동시에 유도함으로써 촉매반응 경로에 영향을 끼칠 수 있음을 발견했다.
박정영 교수는 “이번 연구는 기존에 진행된 구리 표면에서의 이산화탄소 촉매 현상의 이해를 뛰어넘는 새로운 발견이며, 이를 통해 고효율 이산화탄소 촉매의 개발을 통해 인류의 가장 시급한 문제 중의 하나인 지구온난화 및 지속가능성 문제 해결에 기여할 것이다”라고 밝혔다.
한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업, 과학기술분야 기초연구사업과 한-프랑스 협력기반조성사업(STAR) 등의 지원을 받은 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications IF 17.694) 온라인판에 6월 6일 자 게재됐다. (논문제목: Revealing CO2 dissociation pathways at vicinal copper (997) interfaces)
2023.06.26 조회수 4741 -
핫전자(뜨거운 전자) 이용, 온실가스 저감원리 규명
우리 연구진이 금속-산화물 계면에서의 촉매 화학 반응 과정에 대한 메커니즘을 직접 밝히고, *핫전자(뜨거운 전자)가 촉매 선택도를 향상시키는 데 결정적인 요소임을 실시간 핫전자 검출을 통해 입증했다.
☞ 핫전자(Hot electron): 분자의 흡착, 화학 촉매 반응, 빛의 흡수와 같은 외부 에너지가 금속 표면에 전달될 때, 화학 에너지의 순간적인 전환과정에서 에너지가 올라간(물질의 자유전자보다 약 100배 높은) 상태의 전자를 말한다. 태양광을 전기에너지로 전환하는 데 사용되는 매개체로도 사용된다.
우리 대학 화학과 박정영 교수(기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장), 신소재공학과 정연식 교수, 생명화학공학과 정유성 교수 공동연구팀이 차세대 고성능 촉매 설계에 활용할 수 있는 반응성 향상 원리의 기틀을 마련했다고 8일 밝혔다.
현재 에너지 사용량 절감과 친환경 화학 공정 개발이라는 글로벌 도전 과제를 해결하기 위해 새로운 고효율 촉매 소재 개발은 필수적이다. 친환경 화학을 위한 불균일 촉매의 궁극적인 목표는 원하는 생성물에 대해 높은 선택성을 가진 재료를 설계하는 것이다.
많은 화학 촉매 반응 중 알코올의 선택적 산화는 에너지 변환 및 화학 합성에서 중요한 변환 과정이며, 특히 메탄올의 부분 산화를 통해 생성되는 메틸 포르메이트는 포름알데히드 및 포름산과 같은 귀중한 화학 물질의 화학연료로 사용되는 고부가 가치 생성물이다. 따라서 지구온난화 문제의 핵심인 이산화탄소의 저감과 고부가 가치 화학연료 생성의 향상을 위해서는 열역학적인 장벽을 뛰어넘어 높은 선택도를 가지는 우수한 성능의 촉매 개발이 필요하다.
공동연구팀은 이를 해결하는 방안으로, 백금 나노선을 티타늄 산화물에 접합시켜 `금속 나노선-산화물 계면'이 정밀하게 제어되는 신개념의 촉매를 개발했고, 더 나아가 금속 나노선-산화물 계면 기반의 `핫전자 촉매소자'를 활용해 실시간으로 핫전자의 이동을 관찰했다. 연구진은 금속-산화물 계면이 형성되면 메틸 포르메이트의 생성효율이 향상되는 동시에 이산화탄소의 생성이 현저히 감소하는 점을 관찰했으며, 이 높은 선택도는 촉매 표면에 형성된 계면에서의 증폭된 핫전자의 생성과 연관이 있음을 규명했다.
또한 연구진은 계면에서의 증가된 촉매 성능을 실험뿐 아니라 이론적으로도 입증했다. 연구진은 금속 나노선-산화물 계면에서의 증폭된 촉매 선택도가 계면에서의 완전히 다른 촉매 반응 메커니즘에서 기인하는 것임을 양자역학 모델링 계산 결과 비교를 통해 증명했다.
연구를 주도한 화학과 박정영 교수는 "핫전자와 금속 나노선-산화물 계면을 이용해 온실가스인 이산화탄소의 생성을 줄이고 고부가 가치 화학연료의 생성을 증대시킬 수 있다ˮ며 "촉매의 선택도를 핫전자와 금속-산화물 계면을 통해서 제어할 수 있다는 개념은 에너지 전환 및 차세대 촉매 개발에 이용될 수 있고 지구온난화의 주원인인 온실가스의 저감 등의 응용성을 가질 거라고 예상된다ˮ고 말했다.
나노선과 산화물의 접합 연구를 주도한 신소재공학과 정연식 교수는 "기존의 촉매 소자 시스템에서는 기술적으로 어려웠던 금속-산화물 계면에서의 핫전자 검출을 아주 정밀한 나노선 프린팅 기술로 인해 가능하게 만든 연구며, 이 기술은 향후 다양한 차세대 하이브리드 촉매 개발에 활용할 수 있으리라 기대된다ˮ고 말했다.
이론적인 계산으로 계면과 촉매 선택도 간 관계 입증을 주도한 생명화학공학과 정유성 교수 역시 "촉매 화학 반응에서의 선택도를 높이기 위해 금속-산화물 계면이 중요한 역할을 할 수 있음을 실험적 관찰과 이론적인 양자 계산을 통해 증명한 연구로, 불균일 촉매를 이용한 화학 공정 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다ˮ 라고 언급했다.
우리 대학 화학과 이시우 박사가 제1 저자로 참여하고 기초과학연구원(IBS) 및 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 종합 과학분야의 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 1월 4일 字 게재됐다. (논문명 : Controlling hot electron flux and catalytic selectivity with nanoscale metal-oxide interfaces)
2021.01.11 조회수 62261 -
박정영, 정유성 교수, 합금 촉매의 화학반응 실시간 관찰 성공
〈 박 정 영, 정 유 성 교수〉
우리 대학 EEWS 대학원 박정영, 정유성 교수 연구팀이 합금 촉매 표면에서 벌어지는 화학 반응 과정을 실시간으로 관찰해 합금 촉매의 반응성 향상과 직결된 반응 원리를 규명했다.
연구팀의 관찰 결과는 차세대 고성능 촉매 설계에 활용할 수 있는 반응성 향상 원리의 기반이 될 것으로 기대된다.
GIST 물리․광과학과 문봉진 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구 결과는 종합 과학 분야 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 7월 13일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : Adsorbate-driven reactive interfacial Pt-NiO1-x nanostructure formation on the Pt3Ni(111) alloy surface, 백금-니켈 합금 표면위의 촉매 활성도가 높은 금속-산화물 경계 나노구조물 형성의 실시간 관찰)
합금 촉매는 단일 금속 또는 금속 산화물 촉매에 비해 뛰어난 성능을 보여 연료전지반응이나 탄소계열 공업화학반응 등에 이용되고 있다. 하지만 합금 촉매 반응의 결과에 대한 근본적인 원리는 자세히 밝혀지지 않아 촉매 연구 과정에서 발생하는 예상치 못한 결과를 설명하기 어려웠다.
연구팀은 문제 해결을 위해 기존의 표면 직접 관찰 기기의 한계점을 크게 개선한 ‘상압 주사 터널링 전자 현미경’과 ‘상압 X-선 광전자분광기’를 활용해 백금-니켈 합금 촉매 표면의 역동적인 변화 과정을 관찰했다.
이를 통해 실제 반응 환경에서 백금-니켈 합금 촉매의 반응성 향상 이유가 금속-산화물 계면 나노구조의 표면 형성으로부터 시작됨을 밝혀냈다.
또한 일산화탄소 산화반응 과정에서 백금 혹은 니켈 산화물 단일 촉매에 비해 금속-산화물 계면 나노구조가 갖는 비교적 낮은 활성화 에너지는 촉매 반응 원리 상 반응성 향상에 보다 유리한 화학 반응 경로를 제시할 수 있음을 확인했다.
이 결과는 밀도범함수 이론을 바탕으로 한 양자역학 모델링 계산 결과를 통해 입증됐다.
박정영 교수는 “초고진공 환경을 기반으로 한 기존의 표면 과학이 풀지 못한 실제 반응 환경에서의 합금 촉매 반응 과정을 직접 관찰한 첫 연구사례이다”며 “합금 촉매의 계면이 촉매 향상도를 높일 수 있고, 현재 진행 중인 촉매전자학 연구와도 밀접한 관계를 가지고 있다. 다양한 종류의 실제 반응 환경에 근접한 촉매 표면 반응을 연구할 계획이다.”고 말했다.
이론적 원리 규명 연구를 주도한 정유성 교수는 “직접 관찰과 양자 계산을 통해 합금 촉매의 주된 활성 자리가 계면임을 규명한 연구로, 다양한 합금 촉매의 설계 및 최적화에 중요한 단서가 될 것이다”고 말했다.
상압 표면 분석을 주도한 GIST 문봉진 교수는“이 연구는 외부의 분자들과 쉴 새 없이 반응하면서 움직이는 마치 살아서 숨쉬고 있는 원자의 움직임과 반응성을 동시에 측정한 완벽한 표면물리연구이다”고 말했다.
이번 연구는 기초과학연구원 및 한국연구재단, GIST 등의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 주사 터널링 전자 현미경을 이용한 실시간 표면 관찰 이미지
그림2. 시간에 따른 표면 직접 관찰 이미지
2018.07.16 조회수 12834 -
박정영, 정유성 교수, 합금 나노촉매 성능 향상 원리 밝혀
〈 박 정 영 교수, 정 유 성 교수〉
우리 대학 EEWS 대학원 및 화학과 박정영 교수 연구팀이 정유성 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 합금 나노 촉매 표면에 형성된 금속-산화물 계면이 촉매 성능을 향상시키는 중요한 요소임을 밝혔다.
이번 연구결과는 종합 과학 분야 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 6월 8일자 온라인 판에 게재됐다.
합금 나노입자는 높은 효율의 촉매 활성도를 가져 석유화학 공정뿐만 아니라 수소 연료 전지, 물 분해 등 친환경 촉매로 주목받고 있다. 합금 나노입자는 화학적 조성에 따라 촉매 표면의 전자 구조 및 결합 에너지를 제어할 수 있어 활용성이 크다.
이런 우수한 특성에도 불구하고 실제 촉매 환경에서는 반응물과 조건에 따라 나노 입자 표면 구조가 쉽게 달라져 합금 나노 촉매의 반응 원리 규명에 어려움이 있었다.
촉매 반응의 원리를 결정하는 핵심 요소는 핫전자이다. 화학반응이 일어날 때 촉매 표면에 순간적으로(펨토초, 1천조분의 1초) 발생하고 사라지지만 촉매 반응의 활성도를 파악할 수 있는 척도와 같다. 촉매 활성도가 증가하면 핫전자 양도 늘어나기 때문이다. 실시간으로 핫전자를 직접 검출할 수 있는 방법이 마땅히 없던 중 2015년 박정영 부연구단장 연구진이 핫전자를 관찰할 수 있는 핫전자 촉매센서를 개발했다. 이후 박 부연구단장은 핫전자 촉매센서를 중심으로 활발한 연구를 통해 다양한 결과를 내고 있다.
이번 연구에서는 백금과 코발트가 합금된 나노입자를 핫전자 촉매센서에 접목하는 방식으로 연구를 설계했다. 백금-코발트 합금 나노입자는 화학산업 및 에너지·환경 분야에 중요한 촉매 구성요소다. 백금-코발트 합금 나노입자처럼 복잡한 구조를 가진 나노 촉매 구조에 핫전자 촉매센서를 적용해 실시간으로 핫전자를 관찰하는 것이 이번 실험의 큰 관건이었다.
먼저 연구진은 여러 비율로 백금과 코발트를 합성해 합금 나노 촉매들을 제작하고 핫전자 촉매센서를 적용했다. 그 결과 75% 백금과 25% 코발트 비율로 합금 나노입자를 합성할 경우, 가장 많은 핫전자가 발생하고 촉매 성능이 높다는 것을 확인했다. 이후 핫전자 발생량과 촉매 성능의 상관관계를 보다 명확히 밝히고자 실시간 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy)으로 실험 과정을 관찰했다.
수소산화 반응에 합금 나노촉매를 적용하자 한 층의 코발트 산화물이 백금-코발트 합금 나노 입자 표면 위에 형성되면서 금속-산화물(백금-코발트 산화물)계면이 만들어졌다. 금속-산화물 계면에서 전하 이동이 늘어나면서 핫전자 검출 효율이 증가한 것이다. 다시 말해 금속-산화물 계면이 합금 나노 촉매의 활성을 높이는 데 결정적임을 실제로 입증한 것이다.
이번 연구는 실험 뿐 아니라 이론적으로도 계면과 촉매 성능 간 상관관계를 입증했다. 정유성 교수 연구진은 밀도범함수이론(Density Functional Theory) 기반의 양자계산을 통해 백금-코발트 산화물 계면에서 낮은 활성화 에너지로 일어나는 반응 원리를 이론적으로 뒷받침해 핫전자 발생 및 촉매 성능에 대한 근원적인 해석을 제안했다.
정 교수는 “이번 결과는 촉매 연구자들이 금속-산화물 계면의 중요성을 다시 주목하게 되는 계기가 될 것이다”고 말했다.
박 교수는 “이번 연구로 합금 나노촉매의 반응 중 자연스럽게 형성되는 두 물질 사이의 계면이 촉매 반응성과 핫전자의 생성을 증폭시킨다는 점을 규명했다”며 “실제 촉매반응이 일어나는 상압과 고온 환경에서 얻어진 결과를 토대로 향후 고효율의 차세대 촉매물질을 개발하는데 연구 결과를 응용할 수 있다”고 전망했다.
□ 그림 설명
그림1. 나노 촉매계면에서의 핫전자 움직임 실시간 관찰
그림2. 핫전자 촉매센서를 이용한 합금 나노입자에서의 핫전자 움직임 관찰
2018.07.06 조회수 11532 -
오일권 교수, 귀금속 촉매 대체할 친환경 물 분해 촉매 개발
우리 대학 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 값비싼 백금 등의 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 기반의 친환경 물 분해 기술을 개발했다.
물 분해 기술은 수소를 친환경적으로 생산할 수 있다. 연구팀이 개발한 원천기술을 통해 수소의 대량 생산 및 수소에너지 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
배석후 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 화학, 에너지 및 소재 분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 1월호 표지논문에 게재됐다.
현재 가장 많이 사용되는 수소에너지의 발전 방식은 물을 전기 분해시켜 수소를 생산하는 방법이다. 이 방식은 공해 없이 순수한 수소를 생산할 수 있다.
하지만 비용이 많이 들어 상용화에 어려움이 있다. 특히 산소가 발생하는 플러스(+) 전극에는 이리듐 및 루테늄 산화물 기반의 귀금속 촉매가 필요하고, 수소가 발생하는 마이너스(-) 전극에는 백금이 필요하다.
따라서 이를 대체할 수 있는 값싼 재료의 촉매를 개발하는 것이 상용화를 앞당길 수 있는 길이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 플러스 전극에 사용되는 이리듐 및 루테늄 산화물 기반의 촉매를 대체할 수 있는 니켈-코발트 금속 기반의 화합물 촉매를 제작하는 데 성공했다.
니켈-코발트 금속 화합물 촉매는 가격이 저렴하지만 이리듐 및 루테늄 산화물 촉매에 비해 높은 전압을 필요로 하는 등 상대적으로 낮은 성능으로 인해 사용되지 못했다.
연구팀은 문제 해결을 위해 수열합성을 이용했다. 수열합성은 고온, 고압 상태에서 물 혹은 수용액에 금속 등을 녹여 물질을 합성하는 기술이다.
연구팀은 니켈-코발트 전구체가 녹아 있는 용액을 바탕으로 수열합성을 진행했다. 이를 통해 니켈-코발트 촉매의 낮은 성능 문제를 해결하는 동시에 촉매의 표면적을 넓히는 데 성공했다.
또한 추가적인 수열합성을 통해 촉매 외부층을 전도성이 높은 탄소층으로 둘러싸면서 전극과 나노선 복합체 사이의 전하 전달 능력을 극대화시킨 이중 나노선 형태의 촉매를 제작했다.
외부층을 전도성이 높은 탄소층으로 구성했기 때문에 탄소 직물로 만들어진 전극 기판과 상승효과(Synergy)를 내면서 단일 니켈-코발트계 금속 촉매에 비해 30% 낮은 전압과 2.7배 높은 단위 면적당 촉매 활성도를 보였다.
기존의 나노선은 원뿔 모양으로 종횡비가 커 나노선 전체로 전달되는 전압이 일정하지 않았다. 이 때문에 나노선 전체가 촉매 반응에 참여하지 못하는 현상이 발생했으나, 연구팀의 촉매는 탄소층으로 둘러싸여 있기 때문에 전자의 활발한 이동이 가능했고 이는 일정한 전압 전달로 이어졌다.
연구팀은 “연이은 수열합성을 통해 비교적 간단한 공정으로 이상적인 이중 구조의 나노선 촉매를 제작하는 데 성공했다”며 “기존의 값비싼 귀금속 촉매에 비해 훨씬 저렴하면서도 성능은 거의 차이가 없다”고 말했다.
오 교수는 “생산 과정이 간단하고 대량 생산이 가능하며 성능 또한 기존 귀금속 촉매에 뒤지지 않는다 ”며 “이번 연구를 통해 물을 수소같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 기계기술연구소 김지은 박사, EEWS 대학원 박정영 교수가 참여했고, 미래창조과학부 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 선정된 표지논문(front cover) 이미지
그림2. 탄소층이 코팅된 니켈-코발트 이중 나노선 촉매 입자의 미세구조 사진
그림3. 이중 나노선 구조의 전기화학적 촉매로써의 작용 모습
그림4. 이중 나노선 형상의 촉매 제작 과정을 나타낸 모식도
2017.01.19 조회수 16008 -
박정영 교수, 촉매 비밀의 핵심인 '핫 전자' 검출 및 전류 측정 성공
〈 박 정 영 교수 〉
우리 대학 EEWS 대학원 박정영 교수 연구팀이 과산화수소 수용액에 금속 나노 촉매를 넣어 액상 환경 속 촉매반응에서 핫전자를 검출하고 전류를 측정하는 데 성공했다.
대다수 상용 화학공정과 동일한 액체 환경에서 핫전자를 검출해낸 것은 이번이 처음이다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 앙게반테 케미(Angenwandte Chemi International Edition)에 7월 4일자 온라인 판에 게재됐다.
촉매는 원유 정제, 플라스틱 합성 등 다양한 화학공정에서 반응 효율을 높여 작업시간을 줄이고 비용을 낮춰주는 핵심요소다.
청정 동력원으로 떠오른 수소연료전지, 이산화탄소 제거를 위한 인공광합성 장치 등 새로운 환경기술영역에서도 큰 역할이 기대되고 있다.
학계에서는 고효율 촉매 개발을 위해 촉매의 작동원리를 규명하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 반응 시 촉매에서 발생하는 ‘핫전자’가 촉매의 원리를 규명할 수 있는 열쇠로 주목받고 있다.
연구팀은 나노 두께의 금속박막 촉매를 실리콘 기판 위에 붙여 둘 사이에 낮은 전위장벽을 생성했다. 이후 촉매반응으로 만들어진 핫전자가 전위장벽을 넘어 전류로 흐르는 것을 측정, 액체 내 촉매반응에서 생긴 핫전자를 검출했다.
연구팀은 반응에서 생긴 산소 기체를 기체크로마토그래피로 분석, 핫전자 측정값으로 계산해 낸 이론값이 실제 실험값과 일치함을 확인했다.
특히 금속박막 나노촉매의 소재를 백금, 금, 은으로 다양화하고 박막 두께와 과산화수소 수용액의 농도를 조절, 다양한 조건에서 핫전자 전류를 측정함으로써 액상 환경의 고체 촉매 반응 원리 규명에 한 발짝 더 다가섰다.
연구팀은 앞서 그래핀을 이용한 핫전자 촉매센서를 개발, 수소산화반응시 백금 나노촉매 표면에서 발생하는 핫전자를 처음으로 검출하는 데 성공한 바 있다.
당시 기체-고체 계면에서 발생한 핫전자 검출 효율은 1% 미만에 그쳤으나, 이번 액상 환경에서의 검출 효율은 훨씬 높은 10%에 달했다.
이에 액상 환경의 핫전자 검출기술이 보완돼 고온·고압 환경에 적용된다면, 에너지 및 환경 분야를 포함한 화학산업 전반의 고효율 나노촉매 개발이 활기를 띌 전망이다.
박정영 교수는 “액체에서 작동하는 ‘촉매 핫전자 탐지기’를 이용해, 액상 촉매 반응 핫전자를 세계 최초로 검출했다”라며 “핫전자 검출 효율이 기상 화학반응보다 액상 화학반응 시 월등히 높아, 촉매 작동 원리 규명파악이 가능해졌다. 이로써 새로운 형태의 고효율 나노촉매 시스템 개발을 앞당길 것”이라고 전했다.
□ 그림 설명
그림1. 은나노촉매 표면에서 과산화수소 분해 촉매 반응 중에 발생하는 핫전자의 측정 원리 및 모식도
그림 2. 다양한 나노 촉매 다이오드에서 측정된 화학 전류와 촉매 물질의 두께와의 상관관계
2016.08.02 조회수 12243 -
나노촉매의 활성도를 효과적으로 높일 수 있는 원리 규명
박정영 교수
- Nano Letters 발표,“활성도는 높이고 소모는 줄이는 신개념 촉매물질 개발 가능”-
나노촉매*에 산화막을 형성하여 활성도를 자유자재로 제어할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 활성도를 극대화하고 소모를 최소화하는 새로운 촉매물질 개발에 가능성이 열렸다.
* 나노촉매(Nanocatalysts) : 표면적이 높은 산화물 지지체에 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 금속입자가 분산되어 있는 구조로, 표면에서 기체 반응을 원활하게 하는 재료
우리 학교 EEWS대학원 박정영 교수(42세)가 주도하고 캄란 카디르 박사과정생(Kamran Qadir, 제1저자), 울산과기대 주상훈 교수, 한양대 문봉진 교수 및 UC버클리대 가보 소모자이 교수가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)과 WCU육성사업 및 지식경제부 둥의 지원으로 수행되었고, 나노분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters’ 온라인 속보(10월 15일)에 게재되었다.(논문명: Intrinsic Relation between Catalytic Activity of CO Oxidation on Ru Nanoparticles and Ru Oxides Uncovered with Ambient Pressure XPS)
우리가 일상생활에서 사용하고 있는 제품의 대부분(80% 이상)은 촉매를 이용해 만들어질 정도로, 촉매는 우리 생활에서 꼭 필요하고 중요한 물질이다.
특히 전 세계 연구자들은 인류가 직면한 중요 이슈인 에너지문제와 환경문제 등을 근본적으로 해결하기 위해 친환경적인 화학공정에 사용될 새로운 나노촉매 물질을 집중적으로 개발하고 있다.
현재 실생활에서 주로 사용되는 촉매는 나노입자와 산화물로 이루어져 있다. 그 중 나노입자는 촉매의 표면적을 최대한 넓혀 촉매의 활성도를 높이는 역할을 한다.
활성도가 높은 촉매를 효과적으로 제조하기 위해서는 나노입자의 표면 산화막이 중요한 요인으로 알려져 왔다. 그러나 이를 과학적으로 입증하기 위해서는 촉매가 반응하는 환경에서 나노입자의 산화상태를 정확히 측정해야 하지만, 그 동안 많은 분석이 진공에서 이루어져와서 이를 정확히 보여주기가 힘들었다. 즉 촉매가 반응하는 환경에서 측정이 이루어지기 위해서는 상압측정이 필요하다. 최근에 개발된 상압 엑스선 광전자 분광법으로 이러한 상압에서 표면의 성분과 산화상태의 연구가 가능하게 되었다.
지금까지 연구자들이 무엇 때문에 정확히 측정하지 못했을까요?
박정영 교수 연구팀은 상압 엑스선 광전자 분광법*으로 나노입자의 산화상태를 촉매환경에서 측정하는데 성공하였다.
* 엑스선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy) : 엑스선을 물질에 쬐었을 때 나오는 광전자의 운동에너지를 조사하여 물질의 성분과 산화상태 등을 연구하는 표면분석법
박 교수팀은 2.8나노미터와 6나노미터 크기의 루테늄 나노입자 2개를 콜로이드 합성법*으로 제작하고, 랭뮤르 블라짓 기법**으로 나노입자 한 층을 표면에 증착시켰다. 연구팀은 나노입자의 산화상태를 온도와 압력을 바꿔가며 측정하였고, 크기가 큰 루테늄 나노입자가 얇은 산화막을 가진다는 결과를 도출하였다.
* 콜로이드 합성법 : 금속염과 안정제가 함께 용해되어 있는 용매에 환원제를 투입 또는 혼합하여 나노입자를 제작하는 방법. 제작 과정의 여러 인자를 바꿈으로써 입자의 크기와 모양, 성분의 제어가 가능하다.
* * 랭뮤르 블라짓(Langmuir-Blodgett) 기법 : 금속나노입자를 단층으로 제작하는 기법. 나노입자가 용액 위에 떠 있을때, 표면압력을 조절하여 나노입자 사이의 평균 간격을 조절할 수 있다.
또한 연구팀은 측정결과를 바탕으로 산화상태가 촉매의 활성도에 미치는 영향을 확인하여, 크기가 큰 루테늄 나노입자의 얇은 산화막이 촉매의 활성도를 높일 수 있고, 산화상태를 바꾸면 활성도도 제어할 수 있다는 사실을 입증하였다.
박정영 교수는 “나노입자의 산화막이 촉매환경에서 만들어지고 촉매활성도에도 직접적인 관계가 있음을 규명한 이번 연구는 활성도가 높은 촉매물질을 만드는데 응용되어 환경오염에 주요한 원인이 될 수 있는 촉매물질의 소모를 획기적으로 줄이는데 기여할 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
루테늄(Ru) 나노입자의 촉매환경 도중 산화상태조사 : 루테늄 나노입자에서 일어나는 촉매반응 (일산화탄소 산화반응)을 보여줌 (왼쪽). 방사광 가속기에 설치된 상압 엑스선 광전자 분광법을 이용하여 촉매환경에서 루테늄 나노입자의 산화상태가 분석이 됨 (아래). 루테늄 나노입자의 산화막의 두께가 나노입자의 크기에 관계가 되고 이는 촉매의 활성도에 직접적으로 영향을 줌 (오른쪽)
2012.11.08 조회수 18831 -
그래핀의 기계적 특성 세계 최초로 규명
- KAIST 박정영·김용현 교수 연구팀, 그래핀의 마찰력 제어기술 개발과 나노수준 마찰력이론 정립 -
- 나노분야 권위지 나노 레터스 6월 21일자 온라인판 게재 -
우리 대학 연구진이 차세대 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀의 기계적 특성을 밝히고 제어하는 데 성공했다.
우리 학교 EEWS대학원 박정영 교수가 나노과학기술대학원 김용현 교수와 공동으로 하나의 원자층으로 이루어진 그래핀을 불소화해 마찰력과 접착력을 제어하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.
원자단위에서 그래핀에 대한 마찰력의 원리를 규명하고 제어하는 데 성공한 것은 이번 연구가 세계에서 처음인데 앞으로 나노 크기의 로봇 구동부 등 아주 미세한 부분의 윤활에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하면서도 구부려도 전기전도성이 유지돼 실리콘 반도체를 대체할 차세대 전자소자는 물론 휘어지는 디스플레이, 입는 컴퓨터 등 다양한 분야에 활용될 수 있어 ‘꿈의 신소재’로 불린다.
또 강철보다 200배 이상 강한 물성을 갖고 있어 기계 분야에도 응용가능성이 매우 높은 반면 마찰력과 접착력 등과 같은 기계적 성질에 대해서는 몇 가지 미해결 과제로 남아있었는데 이번 연구를 통해 상당부분 해소될 수 있을 것으로 전망된다.
박 교수 연구팀은 그래핀을 플루오르화크세논(XeF₂) 가스에 넣고 열을 가해 하나의 원자층에 불소 결함을 갖고 있는 불소화된 개질 그래핀을 얻어냈다.
개질된 그래핀은 초고진공 원자력현미경에 넣고 마이크로 탐침을 사용, 시료의 표면을 스캔해 마찰력과 접착력 등의 역학적 특성을 측정했다.
연구팀은 실험 결과를 바탕으로 불소화된 그래핀은 기존보다 6배의 마찰력과 0.7배의 접착력을 나타내는 것을 밝혀냈다.
이와 함께 전기적인 측정을 통해 불소화를 확인하고 마찰력과 접착력의 원리를 분석해내 그래핀의 마찰력 변화에 대한 이론을 정립했다.
박정영 교수는 “꿈의 소재로 알려진 그래핀은 나노 스케일 기기의 구동부 윤활에 쓰일 수가 있어 이번 연구는 그래핀 기반의 작은 역학구동소자의 코팅 등의 응용을 가질 수 있다”고 말했다.
한편, 이번 연구 성과는 나노과학분야 권위 있는 학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)" 6월 21일자 온라인판에 게재됐으며 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업과 중견 연구자지원사업의 지원을 받았다.
2012.07.02 조회수 16540 -
박정영 교수, 핫전자 태양전지 원천기술 개발
- Nano Letters 발표, “에너지 손실을 최소화한 핫전자 태양전지 개발 가능성 열어”-
태양광을 흡수하여 생성되는 핫전자 태양전지 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.
우리 학교 EEWS 대학원 박정영 교수(41세, 교신저자, 지속가능한 에너지공학기술사업단 해외학자)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters’ 온라인 속보(9월 14일)에 게재되었다. (논문명 : Surface Plasmon-Driven Hot Electron Flow Probed with Metal-Semiconductor Nanodiodes)
박정영 교수팀은 태양광을 흡수하여 생성되는 핫전자와 표면플라즈몬의 상관관계를 규명하였다.
박 교수팀은 금속박막과 산화물 반도체로 이루어진 나노다이오드를 이용해 빛에 의해 표면에 여기된 핫전자를 검출하고, 나노다이오드 금속박막의 표면처리를 통해 수십 나노미터 크기의 나노섬 형태로 변형하였는데, 이러한 나노섬은 표면플라즈몬을 보여준다.
연구팀은 나노다이오드에 검출된 핫전자를 측정하여 표면플라즈몬에 의한 핫전자의 증폭을 관찰하였다. 이는 표면플라즈몬이 핫전자의 생성을 극대화시키고, 이 원리는 태양전지의 효율을 높이는데 활용될 수 있다.
이 연구에는 EEWS 대학원의 이영근 석사과정생 (제 1저자)와 정찬호 박사과정생 (제 2저자) 이 참여하였다.
박정영 교수는 “핫전자를 정확히 이해하고 측정하는 것은 에너지 손실과정을 근본적으로 이해할 수 있도록 도와준다는 점에서 표면과학 및 에너지공학에서 매우 중요하다. 이번 핫전자 원천기술의 개발은 핫전자를 이용한 고효율 에너지 전환소자 개발에 응용이 될 수 있다”고 연구의의를 밝혔다.
<그림>표면플라즈몬에 의해서 증폭된 핫전자의 측정을 위한 나노다이오드의 구조
2011.10.06 조회수 19944 -
꿈의 소재
- 초고성능의 차세대 전자소자 등에의 그래핀 응용가능성 높여 -
그간 개념상으로만 알려졌던 그래핀의 미세한 주름 구조와 도메인 구조, 그 구조들의 생성원리 및 열처리 공정을 통한 주름구조 제어 가능성이 우리 학교 연구진에 의해 최초로 규명되었다.
우리 학교 EEWS대학원 박정영 교수와 건국대 박배호 교수팀이 주도한 이번 연구 결과는 세계 3대 과학저널(네이처, 사이언스, 셀) 중 하나인 ‘사이언스(Science)’誌에 8월 중 게재될 예정이며, 이에 앞서 ‘사이언스 온라인 속보(Science Express)’에 7월 1일자(한국시간)로 소개되었다.
연구진은 기계적 박리법을 이용해 제작한 그래핀 박막을 원자힘 현미경을 이용하여 측정한 결과 물리적으로 똑같은 특성을 지닌 단일층 그래핀 내에서 마찰력이 현저히 다른 구역(비등방성 마찰력 도메인)이 존재하는 것을 발견하였다.
또한 연구진은 마찰력의 차이가 발생하는 원인을 밝히는 과정에서 그래핀에 잔주름의 방향이 다른 구역(domain, 도메인)이 존재함을 밝혔고, 적절한 열처리 공정을 이용하면 이런 구역구분이 없어지며 전체가 일정한 마찰력을 보이도록 재구성할 수 있음을 보였다.
연구진은 “본 연구는 주름구역의 존재를 최초로 확인하였다는 점과 주름구조의 제어 가능성을 보임으로써 휘어지는 전자소자 등에의 응용가능성을 한 단계 확장시켰다는데 의의가 있고, 향후 활발한 후속연구를 기대한다”라고 밝혔다.
본 연구의 특이한 점으로는 그래핀과 관련된 국내 최고의 전문가들인 서강대 정현식 교수팀, 성균관대 이창구 교수, KIAS 손영우 교수팀 등이 공동 연구에 참여했다는 점이다.
SiO2 기판위에 박리법으로 증착된 그래핀의 원자힘 현미경 이미지(좌), 마찰력 도메인 이미지(중앙), 마찰 도메인에서 예측한 잔주름 분포(우).
2011.07.01 조회수 15085