원자 하나가 촉매로…김상욱 카이스트 교수, 유력 학술지 표지 논문 게재

(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 한국과학기술원(KAIST·카이스트)은 김상욱 신소재공학과 교수 연구팀이 최근 미국화학회(ACS)에서 발간하는 신소재 분야의 주요 연구 동향을 소개하는 학술지 '어카운츠 오브 매터리얼 리서치'(Accounts of Material Research)에 특별 초청 리뷰 논문을 표지 논문으로 게재했다고 1일 밝혔다.

촉매는 스스로는 소모되지 않으면서 화학반응의 속도와 경로를 바꿔주는 물질이다. 최근 그 중요성이 급속하게 커지고 있는 에너지, 환경 및 바이오·헬스 분야에서 반응 효율성을 높이기 위해 활발한 촉매 연구가 이뤄지고 있다. 대표적으로 수소연료전지의 에너지 변환반응이나 환경친화적 수소연료 생성반응 등에서 백금이나 희토류 등 값비싼 촉매를 대체하기 위한 연구가 전 세계 신소재 연구의 화두이다.

일반적인 촉매는 그 표면에서 화학반응을 일으키는데, 이상적으로는 단일 원자가 촉매가 된다면 같은 양의 촉매로 최대 효율을 낼 수 있다. 이를 구현한 것이 김상욱, 김용현 교수팀이 개발한 단일 원자 촉매의 개념이다. 김상욱 교수는 2010년 김용현 물리학과 교수의 이론연구팀과 공동연구를 통해 세계 최초로 단일 원자촉매(Single atom catalyst)를 개발하는 데 성공한 바 있다.

김상욱 교수 연구팀은 탄소나노튜브를 화학적으로 성장시키는 과정에서 철(Fe) 원자가 우리 혈액 속의 헤모글로빈 구조와 유사한 단원자 혼성구조를 생성함을 발견했다. 그리고 한 개의 원자에 기반한 새로운 연료 전지 촉매를 제시했다. 해당 촉매는 입자 응집으로 인해서 수명이 짧은 기존의 백금 촉매의 한계를 극복할 수 있는 새로운 촉매의 형태로 주목 받았다.

김 교수팀의 연구 이후 전 세계의 연구 그룹이 단일 원자촉매 연구에 뛰어들고 있으며, 새로운 고효율 촉매를 개발하는데 전망이 밝은 분야로 각광받고 있다.

김상욱 교수는 "이번에 출판된 총설에는 그래핀과 같은 나노소재에 금속원소를 도핑하는 방식에서 시작된 단일 원자 촉매의 제조부터 구조와 물성, 그리고 응용까지 망라한 최신 연구 동향들이 정리돼 있다"며 "앞으로 해당 분야 연구에 심도 있는 통찰을 제시하길 희망하여, 향후 고효율 단일 원자 촉매 상용화의 시발점이 될 것이다"라고 이번 논문의 의의를 설명했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 김상욱 교수는 국내에서 유일하게 이 학술지의 편집위원으로 활동하고 있다.

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