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IBS·막스플랑크, 최대 7㎚ 떨어진 원자 구조의 영향 실험 확인
사이언스 게재…화학 반응 예측·고효율 촉매 설계 기대
[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]
(서울=연합뉴스) 조승한 기자 = 화학제품 생산과 에너지 산업에 쓰이는 금속 촉매의 성능이 분자가 직접 맞닿는 원자뿐 아니라 수 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 떨어진 원자 구조에도 영향을 받는다는 사실이 실험으로 확인됐다.
촉매 표면의 장거리 전자 효과를 처음 밝힌 것으로, 화학 반응을 예측하고 효율적인 촉매를 설계하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
◇ 촉매 결합 세기, 수 ㎚ 떨어진 원자 구조에도 영향
과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단과 독일 막스플랑크 다학제과학연구소 공동연구팀이 금속 촉매 표면에서 분자가 결합한 지점으로부터 수 ㎚ 멀리 떨어진 원자 구조도 화학결합 세기에 영향을 미친다는 사실을 확인했다고 30일 밝혔다.
이번 연구는 세계 최고 권위 국제학술지 '사이언스'에 이날 실렸다.
금속 촉매를 이용한 화학 반응은 반응물인 분자가 금속 표면에 달라붙는 과정에서 시작된다.
이때 분자와 금속 사이 결합 세기는 이후 화학 반응을 좌우하는 핵심으로 촉매 성능 예측 및 개선에 중요하다.
하지만 지금까지는 분자가 직접 맞닿는 주변 원자들과 상호작용에만 기반해 이를 설명해 왔다.
금속 표면에 붙은 원자나 분자가 멀리 떨어진 영역 내 전자에 영향을 미칠 수 있다는 사실은 알려져 있었지만 주로 매우 낮은 온도에서 관찰돼 실제 촉매 반응에서는 화학결합 세기에 영향을 거의 미치지 않는 것으로 여겨져 왔다.
[IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]
연구팀은 이 인식을 깨고 장거리 전자 효과가 금속 촉매 표면에서 분자와 금속 사이 결합 세기를 변화시킬 수 있다는 것을 실험적으로 확인했다.
원자들이 층층이 쌓여 계단 모양을 이루는 백금 표면을 만들고 원자 계단 사이 간격을 서로 다르게 해 금속 결합 세기를 비교한 결과 이웃 계단까지 거리에 따라 결합 세기가 달라지는 걸 확인한 것이다.
결합 에너지 차이는 최대 약 0.2 전자볼트(eV)로 결합의 안정성이 크게 달라질 수 있는 수준이라고 연구팀은 설명했다.
이런 영향이 나타나는 거리는 분자 종류에 따라 4~7㎚로 원자 수십 개를 늘어놓은 정도의 장거리라고 연구팀은 덧붙였다.
◇ 금속 속 '전자 바다'가 원인…효율적 촉매 설계 기대
연구팀은 이 현상의 원인을 금속이 가진 '전자 바다'에서 찾았다.
금속 안에는 수많은 전자가 특정 원자에 머무르지 않고 넓게 퍼져 있는데, 분자가 금속 표면에 붙으면 전자 바다와 상호작용하며 멀리 떨어진 원자 구조 영향까지 받게 되는 것이다.
이어 연구팀은 분자마다 장거리 영향이 다르게 나타나는 이유를 화학 분자 궤도와 물리학 전자띠 개념을 결합한 '프런티어 오비탈-밴드 모델'을 제시해 설명했다.
분자 궤도는 분자 내 전자의 에너지 분포를, 전자띠는 수많은 원자의 전자 상태가 만드는 에너지 영역을 설명하는 개념이다.
둘을 결합해 연구팀이 제시한 모델은 분자마다 전자 상태 특성이 달라 금속 내 서로 다른 전자 상태와 상호작용하면서 같은 금속 표면에서 영향이 다른 이유를 설명할 수 있다.
드미트리 보로딘 IBS 양자나노과학 연구단 그룹리더는 "과거 촉매 개발은 오랜 실험과 시행착오에 의존해 왔지만, 이제는 화학 반응의 원리를 바탕으로 원하는 특성을 예측하고 설계하는 방향으로 나아가고 있다"며 "이번 연구가 화학 결합에 대한 이해를 넓혀 보다 정교한 계산과 효율적인 촉매 설계에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.
shjo@yna.co.kr
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