은나노촉매 표면에서 과산화수소 분해 촉매 반응 중에 발생하는 핫전자의 측정 원리 및 모식도© News1

기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 그룹리더(KAIST EEWS대학원 교수) 연구진은 과산화수소 수용액에 금속 나노 촉매를 넣어 액상 환경 속 촉매반응에서 핫전자를 검출하고, 전류를 측정하는데 성공했다고 12일 밝혔다.

연구진에 따르면 대다수 상용 화학공정과 동일한 액체 환경에서 핫전자를 검출해낸 것은 이번이 처음이다. 연구진은 나노 두께의 금속박막 촉매를 실리콘 기판 위에 붙여 이들 사이에 낮은 전위장벽을 생성했다.

이후 촉매반응으로 만들어진 핫전자가 전위장벽을 넘어 전류로 흐르는 것을 측정, 액체 내 촉매반응에서 생긴 핫전자를 검출했다.

연구진은 반응에서 생긴 산소 기체를 기체크로마토그래피로 분석, 핫전자 측정값으로 계산해 낸 이론값이 실제 실험값과 일치함을 확인했다. 금속박막 나노촉매의 소재를 백금, 금, 은으로 다양화하고, 박막 두께와 과산화수소 수용액의 농도를 조절해 다양한 조건에서 핫전자 전류를 측정함으로써 액상 환경의 고체 촉매 반응 원리 규명에 한 발짝 더 다가섰다고 연구진은 설명했다.

앞서 연구진은 그래핀을 이용한 핫전자 촉매센서를 개발, 수소산화반응시 백금 나노촉매 표면에서 발생하는 핫전자를 처음으로 검출하는 데 성공한 바 있다.

첫 검출 당시 기체-고체 계면에서 발생한 핫전자 검출 효율은 1% 미만에 그쳤으나, 이번 액상 환경에서의 검출 효율은 훨씬 높은 10%에 달했다.

박 그룹리더는 “액체에서 작동하는 촉매 핫전자 탐지기를 이용, 액상 촉매 반응 핫전자를 세계 최초로 검출했다”며 “촉매 작동 원리 규명이 가능해져 새로운 형태의 고효율 나노촉매 시스템 개발을 앞당길 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 세계적인 학술지 안게반테 케미(Angenwandte Chemi International Edition, IF 11.261) 지난 4일자 온라인 판에 게재됐다.


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