산소 반응 마음대로 조절하는 차세대 촉매 원천기술 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 =

배터리와 연료전지, 친환경 화학 공정의 성능을 높이기 위해서는 산소를 원하는 방식으로 반응시키는 기술이 중요하다. 국내 연구진이 산소 반응에서 전자가 이동하는 경로를 선택적으로 제어할 수 있는 새로운 분자 시스템을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 화학과 황승준 교수 연구팀이 산소 반응을 원하는 방향으로 조절하는 새로운 분자 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다. 연구팀은 저마늄과 전자를 저장하고 전달하는 분자 구조를 결합해 산소 반응에서 전자가 이동하는 방식을 원하는 대로 선택할 수 있는 원리를 처음 규명했다.

산소 반응을 제어하는 촉매는 지금까지 대부분 철, 코발트, 니켈 등 여러 전자를 자유롭게 주고받을 수 있는 전이금속을 이용해 개발돼 왔다. 반면 저마늄은 규소와 같은 계열에 속하는 주족 원소(주기율표에서 전이금속을 제외한 대표 원소)로, 여러 전자가 동시에 이동하는 복잡한 반응을 구현하기 어려운 것으로 알려져 있었다.

연구팀은 한계를 극복하기 위해 저마늄과 전자를 저장하고 전달하는 분자구조인 '산화·환원 활성 리간드(전자를 저장하거나 전달하는 분자 구조)'를 결합했다.

산소는 반응할 때 전자가 2개 이동하는지, 4개 이동하는지에 따라 만들어지는 물질과 반응 결과가 달라진다. 대표적으로 2전자 반응에서는 과산화수소가, 4전자 반응에서는 물이 생성된다. 필요에 따라 반응을 선택적으로 제어하는 기술은 배터리와 연료전지, 친환경 촉매 개발의 핵심 과제다.

이번 연구는 철이나 코발트 같은 전이금속에서 주로 가능하다고 여겨졌던 2·4전자 반응을 저마늄과 같은 주족 원소에서도 구현할 수 있음을 처음으로 보여준 성과라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 반응 과정에서 잠시 생성됐다가 사라지는 2전자 산화 상태의 저마늄 중간체를 안정적으로 분리하는데도 성공했다. 이 중간체는 하나의 저마늄 원자가 전자를 주는 역할과 받는 역할을 모두 수행하는 매우 드문 특성을 보이는데, 이 원리를 이해하는 중요한 단서가 됐다.

기술의 실제 활용 가능성도 확인됐다. 개발한 저마늄 복합체는 상온에서 빛을 사용하지 않고도 염소나 브로민 같은 할로겐 원자가 붙은 유기화합물에서 할로겐을 제거해 의약품과 플라스틱 등 다양한 화학제품의 원료인 알켄을 다시 만들 수 있음을 입증했다.

이는 높은 온도나 복잡한 공정 없이도 유용한 화학 원료를 보다 친환경적이고 에너지 효율이 높은 방식으로 생산할 수 있는 가능성을 보여준다.

황 교수는 "이번 연구는 전이금속에 의존하던 촉매 반응을 저마늄과 같은 주족 원소로도 구현할 수 있음을 보여준 성과"라며 "앞으로 배터리와 연료전지의 성능을 높이는 것은 물론, 보다 친환경적이고 효율적인 화학공정을 구현하는 차세대 촉매 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

연구팀은 다만 이번 연구가 배터리, 연료전지, 친환경 산화 반응 같은 분야와 연결되려면 현재의 분자 수준 전자전달 제어를 전기화학적 구동, 실제 기질 변환으로 확장하는 후속 연구가 필요하다고 강조했다.

KAIST 화학과 김성규·오진록 박사후연구원과 포항공과대학교(POSTECH) 화학과 최대의 석·박사통합과정생이 참여한 연구 결과는 국제학술지 켐(Chem)에 온라인 게재됐다.

이번 연구는 한국연구재단 기초연구실(BRL) 지원사업, 학문후속세대 박사과정생 연구장려금 지원사업, 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.