균일촉매의 화학현상을 불균일촉매에서 구현 성공

연탄가스인 일산화탄소 기체로 고체 백금 촉매의 활성을 향상시킬 수 있게 되었다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 광주과학기술원 최창혁 교수, 한국과학기술원 김형준 교수 공동연구팀이 ‘균일촉매’뿐 아니라 ‘불균일촉매’에서도 일산화탄소로 백금 촉매의 활성을 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다.

백금 촉매는 자동차 배기가스의 유해 물질 제거, 수소연료전지의 수소 생산 등 다양한 화학반응에서 활용된다. 백금 촉매의 공정단가를 경제적으로 낮추기 위해서는 백금 촉매 성능의 향상이 필수적이다.

독성 물질인 일산화탄소는 백금 표면에 강하게 흡착해 촉매로서의 활성을 저해한다고 알려져 있다. 그러나 흥미롭게도 일산화탄소와 백금 촉매의 상이 같은 ‘균일촉매’의 경우에는 오히려 일산화탄소가 백금 촉매의 촉진제로서 작용하기도 한다.

이같은 균일촉매에서의 화학현상을, 일산화탄소와 백금 촉매의 상이 서로 다른 ‘불균일촉매’에도 접목하여 백금 촉매의 성능을 끌어올리려는 노력이 계속되었지만 쉽지 않았다.

연구팀은 불균일 백금 촉매가 일산화탄소의 존재 하에서 활성화되는 현상을 규명해 학계에 보고했다. 전기화학적 수소 생산 반응에서 일산화탄소가 존재하면 백금 촉매의 활성이 2배 가까이 증진되었다.

이 현상은 단일 원자 백금이 황 원자로 둘러싸인 형태의 촉매일 때 관측된다. 분광분석법으로 관측한 결과, 일산화탄소에 의해 단일 원자 백금과 황 원자의 결합이 일부 끊어지고 일산화탄소와의 결합이 새로 생겼다. 균일촉매와 같이 불균일촉매에서 중심 금속과 리간드와의 상호작용이 발생한 것이다.

최창혁 교수는 “균일계 촉매에서 보이는 화학적 현상을 불균일계 촉매에서도 구현할 수 있는 시스템을 발견했다”라고 연구의 의의를 설명하며, “나아가 오랜 꿈으로 여겨졌던 균일계·불균일계 촉매의 틈을 연결하고, 각 장점만을 구현한 새로운 형태의 촉매 개발을 연구할 계획이다“라고 밝혔다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 기초연구사업(중견연구), 한국과학기술연구원 기관고유사업의 지원으로 수행되었으며, 화학 분야의 최고 권위 학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 11월 1일자 논문으로 게재되었다.