△ 얇은 금(Au) 박막과 이산화티타늄(TiO2) 층으로 이루어진 나노다이오드 표면 위에 백금 나노촉매(Pt NPs)를 이차원 단층으로 배열해 만든 촉매 나노다이오드 모식도(왼쪽 위). 촉매 크기에 따른 열전자 전환 효율을 비교한 그래프와 주사전자현미경 사진(왼쪽 아래). 오른쪽은 나노입자에서 화학반응이 일어날 때 열전자가 방출되는 것을 묘사한 그림.

'1천조분의1초' 나노촉매 화학반응 전류 측정

IBS 박정영 박사 "고효율 나노촉매 개발 등에 기여할 것"



(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 나노촉매의 표면에서 화학반응이 일어날 때 펨토초(Femtosecond : 1천조분의 1초) 단위로 발생하는 화학전류를 측정하는 데 처음으로 성공했다.

기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡)은 15일 박정영 박사팀이 나노촉매 표면의 화학반응을 관찰할 수 있는 촉매 나노다이오드를 개발, 나노촉매 반응 시 표면에서 발생하는 화학전류를 실시간 측정했다고 밝혔다.

이 연구 결과는 화학분야 국제저널 '안게반테케미'(Angewandte Chemi International Edition. 2월 4일자) 온라인에 게재됐다.

표면이 나노구조로 돼 있어 표면적이 넓고 반응성 높은 나노촉매의 화학적 현상 규명은 차세대 촉매 개발에 매우 중요하다. 그러나 나노촉매 표면에서 분자들의 탈착 및 활성을 일으키는 것으로 알려진 열전자(hot electron)는 수명이 펨토초 수준으로 매우 짧아 이를 검출하는 데 한계가 있었다.



연구진은 열전자 흐름을 측정하기 위해 얇은 금 박막과 이산화티타늄(TiO₂) 층으로 이루어진 나노다이오드 표면 위에 크기가 1.7나노미터(㎚=10억분의 1ｍ)와 4.5㎚인 백금 나노촉매를 2차원 단층으로 배열해 나노촉매 소자 시스템을 만들었다.

이 나노촉매 소자를 이용해 수소 산화반응 중 금속 나노촉매 표면에서 발생한 열전자 흐름을 검출하고 나노입자의 크기에 따른 촉매 활성도 및 촉매 에너지 변화를 정량적으로 비교하는 데 성공했다.

나노촉매 크기가 1.7나노미터일 때 표면의 화학전류 생성 효율이 나노촉매 크기가 4.5나노미터일 때보다 5배 높았고 촉매활성도도 50% 증가하는 것으로 나타났다.

박정영 박사는 "이 연구는 나노촉매 위에 생성되는 열전자를 측정, 나노 물질 표면에서 일어나는 화학촉매와 열전자 간 반응 메커니즘에 대한 이해에 이론적 기반을 제공했다"며 "열전자를 이용한 고효율 나노촉매 개발과 에너지 소모 절감을 통해 에너지·환경분야에도 기여할 것"이라고 말했다.

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