값비싼 귀금속 촉매를 대체할 물질로 주목받는 '탄소 기반 촉매'의 반응 원리를 설명한 연구가 나왔다. 울산과학기술원(UNIST)은 물리학과 최근수 교수가 전기화학 반응을 촉진하는 탄소 기반 촉매의 이론적 원리를 밝혔다고 2일 밝혔다.
탄소의 결함(질소 도핑 또는 탄소 공백)과 구조적 유연성, 화학 반응이 맞물리면서 백금 같은 귀금속 없이도 촉매 활성이 가능해진다는 것이 핵심 내용이다.
UNIST에 따르면 수전해 수소 생산이나 금속-공기 이차전지, 수소 연료전지 등에는 '산소 환원 반응'이 필요하다. 이 반응은 산소와 수소, 전자가 만나 물이 되는 과정인데, 촉매 없이는 반응이 잘 일어나지 않는다.
이 때문에 촉매 성능이 뛰어난 귀금속인 백금이 꼭 필요한데, 백금은 비싸고 내구성이 떨어져 대체 물질로 탄소 기반 촉매가 활발히 연구되고 있다.
그러나 탄소 기반 촉매가 전기화학 반응을 촉진하는 원리는 명확히 밝혀지지 않았다. 최 교수는 탄소의 독특한 구조적 특성에 주목해 탄소 기반 촉매가 반응을 활성화하는 원리를 규명했다.
대표적인 탄소의 구조는 크게 두 종류인데, 그래핀이나 흑연처럼 3개가 결합한 '2차원 평면 구조'와 다이아몬드처럼 4개가 결합한 '사면체 구조'다.
2차원 구조의 탄소가 새로운 결합을 형성할 때 3차원 사면체 구조로 변형되는데, 이때 높은 에너지가 필요하다. 이러한 높은 에너지는 탄소가 새로운 결합을 못 하게 막는 장벽이 되며, 탄소 물질의 낮은 반응성으로 이어진다고 최 교수는 설명했다.
최 교수는 양자 역학 기반의 계산을 통해 탄소 기반 촉매에서 촉매 반응 활성화 여부를 결정짓는 산소 분자 흡착을 중점적으로 다뤘다.
계산 결과 탄소의 결함이 구조적 유연성을 높여 구조 변형에 필요한 에너지 장벽을 낮추고, 산소 흡착 반응을 촉진한다는 것을 밝혀냈다.
또 분자 동역학 계산으로 탄소 물질에 도핑된 질소는 안정된 구조를 형성해 합성 측면에서 탄소 공백보다 유리하다는 것을 확인했다.
최 교수는 "기존 연구에서 주로 다뤘던 '국지적이고 정적인' 전자구조 특성뿐만 아니라, '비국지적이고 동적인' 구조 특성도 흡착 반응에 결정적인 영향을 미친다는 것을 찾아냈다"며 "이 결과는 전기화학 촉매 반응에 국한하지 않고 탄소 물질에서의 일반적인 화학 반응에도 적용할 수 있으며, 흡착 반응을 이해하기 위한 확장된 기틀을 제공한다"고 말했다. 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발간하는 나노 분야 국제 학술지인 'ACS 나노'(ACS NANO)에 게재됐다.