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가격이 저렴하고 매장량이 풍부한 비금속으로 희유금속(rare metal)을 대신하여 촉매제로 활용하는 것은 에너지와 화학공업 프로세스에서 고효율화 전환을 실현하는데 꼭 필요한 수단이다. 이 때문에 현재 나토탄소 소재의 촉매화 연구는 촉매 과학과 화학공업 분야에서 각광을 받고 있다. 

최근 중국 과학원 다아롄(大连)화학물리연구소 촉매기초국가중점실험실 덩더후이(邓德会) 연구팀은 중국 과학원 스바우신(士包信) 연구팀과 손잡고 나노탄소 소재의 촉매화 연구에서 중요한 성과를 올렸다. 연구팀은 2차원 나노탄소 소재(그래핀과 유사함)의 제조 전략과 합성 방법을 통해 균일한 초박막 그래핀 각층(두께가 1-3 탄소 층)이 3d 과도금속 나노입자를 감싸고 패키지(Package)하는데 성공했다.

이론적 시뮬레이션과 실혐 연구 결과에 따르면, 촉매 반응 과정에서 활성금속 나노 입자 촉매제는 나노탄소 캡슐(capsule)의 패키지가 까다로운 반응 환경(예를 들면, 산성, 염기성, 강한 산화성 등)에 직접 접촉하는 것을 차단해 효과적으로 촉매제 활성을 촉진한다. 뿐만 아니라 패키지된 나노금속의 활성 전자는 유사한 그래핀 탄소 층과의 상호 작용을 통해 표면에 침투되면서 고효과 촉매반응을 실현한다. 

이 같은 원리를 기반해 제조된 그래핀 탄소 층 패키지의 코발트 나노입자 촉매제는 강한 산성 조건 환경에서 물 전기분해를 이용해 수소를 제조하는데 사용할 수 있으며 촉매활성과 안정성이 우수한 것으로 나타났다. 전류밀도가 10 mA/cm2 조건에서 물 전기분해 음극 전위가 142 mV밖에 되지 않아 성능이 통상적으로 사용되는 Pt/C 40%에 접근했다. 관련 연구 성과는 최근 응용화학분야의 세계적 권위지 ‘앙게반테 케미 국제판(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, DOI: 10.1002/anie.201409524)의 온란판에 게재되었다. 

유사 그래핀 탄소 층 보호 활성 금속 나노 입자와 “침투” 전자 촉매의 개념은 덩더후이(邓德会) 연구팀과 스바우신(士包信) 연구팀이 탄소나노튜브 패키지의 나노 철로 귀금속 백금을 대신하여 연료전지 촉매제를 연구할 때 최초로 제출한 것이다(ngew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 371). 이 연구성과는 국제 동료들의 인정을 받았을 뿐만 아니라 촉매제의 “갑옷 촉매(chainmail for catalyst)”라는 평가를 받았다.

최근 몇 년간 “갑옷” 촉매의 개념이 신속하게 확산되면서 많은 연구자들이 전기 촉매, 광촉매 전통적 촉매 체계에 이 개념을 도입하기 위한 연구에 매진했다. 연구팀은 관련 연구를 주도하면서 이 분야에서의 선두를 굳게 지키고 있다. 

연구팀은 실험과 연구를 통해 그래핀 “갑옷” 두께가 비금속의 전자 “침투” 능력 및 산화 환원 활성에 미치는 영향에 대하여 발견하고 검증했다(J. Mater. Chem. A 2013, 1, 14868). 또한 연구팀은 “갑옷” 촉매제가 산성 조건에서 물 전기 분해를 촉매시켜 수소를 제조하는 메커니즘을 제출(nergy Environ. Sci. 2014, 7, 1919)했으며 기타 연구진과 협력을 통해 “갑옷” 촉매제를 염료감응 태양전지의 전극 소재에 활용한 결과 귀금속 Pt 보다 더 좋은 I3 환원 활성을 도출할 수 있다는 것을 발견했다(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 7023).

한편 관련 연구는 중국 국가자연과학기금위원회, 중국 과학원 나노선도프로젝트, 중국 교육부에너지소재화학협력혁신텐터 등의 자금 지원을 받아 수행되었다. 

그림: 다아롄(大连)화학물리연구소의 나노탄소 소재 촉매 연구 성과


KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-01-19


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