국내 연구진이 나노촉매를 전기적으로 연결시킨 새로운 촉매 나노다이오드를 이용해 나노촉매에서 발생하는 핫전자의 흐름(화학전류)을 비교적 간단하고 쉬운 방법으로 검출하는데 성공하였다.(미래창조과학부 제공) © News1

국내 연구진이 세계 최초로 촉매 나노다이오드를 이용해 나노촉매 반응시 표면에서 발생하는 화학전류를 측정했다.

기초과학연구원(원장 김두철)은 나노물질 및 화학반응 연구단의 박정영 카이스트 교수 연구팀이 나노촉매 표면의 화학반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 나노다이오드 장치를 새롭게 개발했다고 15일 밝혔다. 이를 통해 나노촉매 표면에서 발생한 '핫전자'(Hot Electron)가 효과적으로 화학전류로 검출됨을 확인했다.

연구팀은 "관찰이 어려웠던 나노촉매 위에 생성되는 핫전자를 측정하고 중요성을 이해한 점에서 큰 의미가 있다"며 "핫전자를 이용한 고효율 나노촉매 개발과 다양한 친환경 에너지 저장 및 전환시스템 연구에 도움이 될 것"이라고 기대했다.

나노촉매 분야는 넓은 표면적과 높은 반응성을 갖고 있어 꾸준히 연구가 이뤄졌지만 표면에서 분자의 탈착 및 활성을 일으키는 핫전자의 수명이 짧아 이를 측정하는데 큰 어려움이 있었다. 핫전자은 외부에서 에너지가 표면에 전달될 때 에너지 전환과정에 의해서 1-3 eV 에너지를 갖는 전자를 말한다. 이때 외부에너지는 빛의 흡수, 분자의 흡착, 촉매반응, 전자 혹은 이온의 충돌 등 다양한 현상을 포함한다.

박 교수팀은 얇은 금속 박막과 반도체로 이뤄진 나노다이오드를 통해 새로운 촉매 나노다이오드를 개발했다. 이는 나노다이오드 표면 위에 나노 촉매입자가 균일하게 증착돼 있어 촉매 표면에서 발생한 화학반응을 화학전료를 통해 실시간으로 관찰하도록 돕는다.이를 이용해 연구진은 나노입자에서 발생하는 핫전자의 흐름을 측정하는데 성공했다. 실험결과 나노입자 크기가 1.7인 경우 4.2나노미터 크기의 촉매보다 촉매활성도가 50% 증가하고 화학전류 생성 효율이 5배 증가되는 것이 입증됐다. 또 수소 산화반응 중 금속 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자 흐름을 검출하고 나노입자 크기에 따른 촉매활성도 및 촉매에너지 변화를 정략적으로 비교했다.

연구를 주도한 박정영 교수는 "이번 연구는 나노 물질 표면에서 일어나는 화학촉매와 핫전자간 반응 메커니즘에 대한 이해에 이론적 기반을 제공했다"며 "향후 고효율 나노촉매 개발과 다양한 친환경 에너지 저장 및 전환시스템 연구에 도움이 될 것으로 기대된다"고 밝혔다. 이번 연구성과는 세계적인 화학저널 '안게반테 케미(Angewandte Chemi International Edition)' 온라인판 2월4일자로 게재됐다.

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