7㎚ 떨어진 원자도 촉매 성능 좌우…결합 원리 규명

직접 맞닿지 않아도 영향 미치는 금속 촉매의 비밀

에너지 산업과 화학 제품 제조의 핵심인 금속 촉매의 성능이, 분자와 직접 접촉하는 원자뿐만 아니라 최대 7㎚(나노미터)까지 떨어진 원자 구조에 의해서도 결정된다는 사실이 실험을 통해 입증됐다. 이번 연구 결과는 세계적인 학술지 '사이언스'에 게재되며 학계의 이목을 끌었다.

양자나노과학 연구단과 독일 막스플랑크 다학제과학연구소의 공동 연구팀은 금속 촉매 표면에서 분자가 결합할 때, 결합 지점으로부터 수 나노미터 거리의 원자 구조가 화학 결합의 세기에 영향을 준다는 점을 확인했다고 30일 발표했다. 이는 촉매 표면에서 발생하는 장거리 전자 효과를 최초로 밝혀낸 성과로, 향후 화학 반응의 정밀한 예측과 고효율 촉매 설계에 획기적인 전환점이 될 전망이다.

계단식 백금 구조 실험으로 증명된 결합 세기 변화

금속 촉매를 활용한 화학 반응은 반응물인 분자가 금속 표면에 흡착되는 단계에서 시작된다. 이때 형성되는 분자와 금속 간의 결합 강도는 이후 진행될 화학 반응의 성패를 가르는 핵심 요소이기에, 촉매의 성능을 개선하거나 예측하기 위해서는 결합 세기를 정확히 파악하는 것이 필수적이다. 기존 학계에서는 분자가 맞닿는 인접 원자들과의 상호작용만을 기준으로 이를 설명해 왔다.

금속 표면의 원자나 분자가 원거리 영역의 전자에 영향을 줄 수 있다는 가설은 존재했으나, 주로 극저온 상태에서만 관찰되어 실제 촉매 반응 환경에서는 결합 세기에 큰 영향을 주지 않는 것으로 여겨져 왔다. 그러나 연구팀은 장거리 전자 효과가 실제 금속 촉매 표면의 결합력을 변화시킬 수 있음을 실험으로 증명했다. 연구팀은 백금 표면을 원자들이 층을 이루며 계단 형태를 갖추도록 설계한 뒤, 계단 사이의 간격을 조절하며 결합 세기를 비교했다. 그 결과, 인접한 계단까지의 거리에 따라 결합력이 달라지는 현상을 포착했으며, 이로 인한 결합 에너지 차이는 최대 약 0.2eV(전자볼트)에 달해 결합 안정성이 크게 변할 수 있음을 확인했다. 이러한 영향력은 분자 종류에 따라 4~7㎚ 범위, 즉 수십 개의 원자가 나열된 거리까지 지속되는 것으로 나타났다.

'전자 바다'와 새로운 모델을 통한 촉매 설계의 혁신

연구팀은 이러한 현상의 근본 원인을 금속 내부의 '전자 바다(electron sea)'에서 찾았다. 금속 내의 수많은 전자는 특정 원자에 고정되지 않고 넓게 퍼져 있는 특성이 있는데, 분자가 표면에 결합하는 순간 이 전자 바다와 상호작용하며 멀리 떨어진 원자 구조의 영향까지 전달하게 된다는 것이다. 또한, 분자마다 장거리 영향의 정도가 다르게 나타나는 원인을 규명하기 위해 '프런티어 오비탈-밴드 모델'을 새롭게 제시했다.

이 모델은 분자 내 전자의 에너지 분포를 나타내는 '화학 분자 궤도'와 다수 원자의 전자 상태가 형성하는 에너지 영역인 '전자띠' 개념을 결합한 것이다. 이를 통해 분자마다 고유한 전자 상태 특성이 금속 내의 서로 다른 전자 상태와 어떻게 상호작용하는지를 설명할 수 있게 되었다. 양자나노과학 연구단의 그룹리더는 과거의 촉매 개발이 시행착오와 실험에 의존했다면, 이제는 화학 반응의 근본 원리를 바탕으로 원하는 특성을 설계하는 시대가 열렸다고 평가하며, 이번 연구가 정교한 계산을 통한 효율적 촉매 설계에 기여할 것이라고 밝혔다.