국내 연구진이 촉매 나노다이오를 이용하여 나노촉매 반응 시 표면에서 발생하는 화학전류를 측정하는 데 세계 최초로 성공했다.

미래창조과학부(장관 최양희) 소속 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡) 박정영 그룹리더(KAIST EEWS대학원 교수) 연구진이 촉매 나노다이오드를 이용하여 세계 최초로 나노촉매 반응 시 표면에서 발생하는 화학전류를 측정하는 데 성공했다.

연구진은 나노촉매 표면의 화학반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 촉매 나노다이오드 장치를 새롭게 개발하여 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자가 효과적으로 화학전류로 검출됨을 확인하였다. 나노촉매 분야는 넓은 표면적과 높은 반응성이 있어 연구 개발이 집중되고 있으나, 표면에서 분자의 탈착 및 활성을 일으키는 기초현상인 핫전자의 수명이 매우 짧아 이를 측정하기가 어려웠다.

연구진이 개발한 새로운 촉매 나노다이오드는 얇은 금속 박막과 반도체로 이루어진 나노다이오드 표면 위에 콜로이드 합성법으로 제작한 백금 나노입자(1.7 나노미터와 4.5 나노미터 크기)를 랑뮤어 블라짓 기법)을 통해 제작되었다.
이를 이용하여 나노입자에서 발생하는 핫전자의 흐름을 측정하는 데 성공했다. 그 결과 나노입자의 크기가 1.7인 경우, 4.2나노미터 크기의 촉매보다 촉매활성도가 50% 증가함과 동시에 화학전류 생성효율에 5배 증가됨을 확인하였다.

연구진은 수소 산화반응 중 금속 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자 흐름을 검출하고 더 나아가 나노입자의 크기에 따른 촉매활성도 및 촉매 에너지 변화를 정량적으로 비교하는 데 성공하였다.

이번 연구성과는 세계적인 화학저널인 안게반테 케미(Angewandte Chemi International Edition, IF 11.336) 2월 4일자 온라인에 게재됐고, 논문의 혁신성을 인정받아 핫 페이퍼(Hot paper)에 선정되어 2월 28일 발간되는 저널의 속표지(frontispiece)에 게재된다.
논문제목은 콜로이드 백금 나노촉매 표면에서 수소 산화반응에 의해 발생한 핫전자 흐름 비교를 통한 나노촉매 크기 효과 규명 (Chemical Reaction-induced Hot Electron Flows on Pt Colloid Nanoparticles under Hydrogen Oxidation: Impact of Nanoparticle Size)이며 제1저자는 이효선 KAIST EEWS 대학원 박사과정생, 교신저자는 박정영 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더(KAIST EEWS 대학원 교수)이다.

이번 연구는 관찰이 어려웠던 나노촉매 위에 생성되는 핫전자(Hot Electron)1)를 측정하고 중요성을 이해한 점에서 큰 의미가 있다. 이로써 핫전자를 이용한 고효율 나노촉매 개발과 다양한 친환경 에너지 저장 및 전환시스템 연구에 도움이 될 것으로 기대된다.

박정영 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더는 “이번 연구는 나노 물질 표면에서 일어나는 화학촉매와 핫전자 간 반응 메커니즘에 대한 이해에 이론적 기반을 제공했다”며 “핫전자를 이용한 고효율 나노촉매의 개발과 에너지 소모 절감을 통해 에너지 및 환경분야에도 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.