고효율 단일 원자 촉매 개발로 미래 산업에서 상용화 기대
(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST신소재공학과 김상욱 교수 연구팀은 지난 2010년 물리학과 김용현 교수의 이론연구팀과 공동연구를 통해 세계 최초로 단일 원자촉매(Single atom catalyst)를 개발하는 데 성공한 바 있다.
이러한 `최초연구'의 성과를 인정받아 김상욱 교수 연구팀은 최근 미국화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 신소재 분야의 가장 중요한 연구 동향을 소개하는 학술지 `어카운츠 오브 매터리얼 리서치(Accounts of Material Research)'에 특별 초청 리뷰 논문을 표지 논문으로 게재했다고 1일 밝혔다. (논문명 : Discovery of Single-Atom Catalyst: Customized Heteroelement Dopants on Graphene)
촉매는 소량의 첨가만으로 다양한 화학반응의 효율을 높이는 소재를 의미하며, 최근 그 중요성이 급속하게 커지고 있는 에너지, 환경 및 바이오/헬스 분야에서 핵심적인 요소로서 큰 관심을 끌고 있다. 대표적인 예로서 수소연료전지의 에너지 변환반응이나 환경친화적인 수소연료 생성반응 등에서 백금이나 희토류등 값비싼 촉매를 대체하기 위한 연구가 전 세계 신소재 연구의 화두가 되고 있다.
일반적인 촉매는 그 표면에서 화학반응을 일으키는데, 이상적으로는 단일 원자가 촉매가 된다면 같은 양의 촉매로 최대 효율을 낼 수 있으며 이를 세계 최초로 실현한 것이 김상욱, 김용현 교수팀이 개발한 단일 원자 촉매의 개념이다. 김상욱 교수 연구팀은 탄소나노튜브를 화학적으로 성장시키는 과정에서 철(Fe) 원자가 우리 혈액 속의 헤모글로빈 구조와 유사한 단원자 혼성구조를 생성함을 발견하고, 한 개의 원자에 기반한 새로운 연료 전지 촉매를 제시한 것이다. 해당 촉매는 입자 응집으로 인해서 수명이 짧은 기존의 백금 촉매의 한계를 극복할 수 있는 새로운 촉매의 형태로 주목을 받았다.
김 교수 팀의 연구 이후 최근에는 전 세계의 많은 연구 그룹들이 단일 원자촉매 연구에 뛰어들고 있으며, 새로운 고효율 촉매를 개발하기 위해 가장 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 잘 정리돼 있다ˮ며, "앞으로 해당 분야 연구에 심도 있는 통찰을 제시하길 희망하여, 향후 고효율 단일 원자 촉매 상용화의 시발점이 될 것이다ˮ라고 이번 논문의 의의를 설명했다.
이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 김상욱 교수는 국내에서 유일하게 이 권위 있는 학술지의 편집위원으로 활동하고 있다.
□ 연구개요
연구 배경
미국화학회 (American Chemical Society)가 발간하는 신생 총설 학술지인 Accounts of Material Research는 최근 과학계의 가장 중요한 신소재 연구 분야를 다루고 있다. KAIST 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀은 이 학술지에 단일 원자 기반 촉매에 대한 특집 논문을 초청받아 작성하여 표지 논문으로 발표하게 되었다. 단일 원자 촉매란 원자 단위의 촉매 활성 부위의 조절을 위해 제조된 촉매 소재이며, 다양한 고효율의 화학 반응을 가속화시킬 수 있는 미래의 신소재로 각광받고 있다.
김상욱 교수 연구팀은 2010년 세계 최초로 탄소나노튜브 벽면에서 화학반응을 일으킬 수 있는 단일 원자 촉매를 개발하였으며, 이는 고효율의 산소환원 반응을 가능하게 하였다. 이번 세계적인 학술지 표지 논문의 선정은 매우 이례적인 성과로서 과거 김상욱 교수 연구팀의 최초 개발된 이 신소재의 중요성을 전 세계적으로 공인받은 것이다.
2. 연구내용
단일 원소 촉매 개발은 촉매의 활용 범위와 효율을 모두 증대시킬 수 있는 신소재로 각광 고 있지만, 원자 단위의 크기로 인한 매우 큰 표면 에너지로 인해 입자나 클러스터로 뭉치기 쉽다. 이를 위해 최적화된 지지체를 적용해야 안정하고 균일한 활성 원자가 분포된 단일 원소 촉매가 실현 가능하며, 이러한 우수한 지지체 중 하나로 꿈의 소재인 그래핀이 활발히 활용되고 있다. 본 총설은 그래핀을 지지체로 활용하는 단일 원소 촉매의 합성, 구조, 그리고 응용까지 전 세계적인 최신 연구 동향들에 대한 정리를 기반으로 단일 원자 촉매 기반 실용적인 연구개발에 심도 있는 통찰을 제시한다. 따라서 본 초청 총설을 통하여 단일 원자 촉매의 전 세계적인 관심을 이끄는 동시에, 해당 연구 분야의 확대와 궁극적으로는 실용화까지의 중요한 초석이 될 것으로 기대된다.
김인호 박사가 1저자로 참여한 이번 초청 총설은 국제 학술지 ‘어카운트 오브 메터리얼 리서치 (Accounts of Material Research)’에 ５월 온라인 판에 게재되었으며, 경희대학교의 임준원 교수가 공동교신저자로 참여하였다.
탄소나노튜브 표면에서 단일 원자 구조의 개발을 통해 다양한 촉매로의 가능성을 세계 최초로 보고 한 연구책임자 김상욱 교수는 단일 원자 촉매 실용화를 위한 나노제어 및 화학적 개질의 개념을 세계 최초로 정립한 개척자이자 전 세계적인 석학으로 인정받고 있다.
