수 나노미터 밖 원자 배열이 촉매 결합 세기 결정한다

금속 촉매 성능 좌우하는 새로운 결합 원리 규명

금속 촉매 표면에 흡착되는 분자의 결합 강도가 인접한 원자뿐만 아니라 수 나노미터 거리에 위치한 원자들의 배치에 의해서도 조절된다는 사실이 확인됐다. 국내 연구진이 포함된 국제 공동 연구진은 이번 연구를 통해 금속 촉매의 성능을 정밀하게 설계하고 예측할 수 있는 새로운 물리적 원리를 도출해냈다.

과학기술정보통신부에 따르면, 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단의 드미트리 보로딘 그룹리더(이화여대 물리학과 연구교수 겸임)가 공동 교신저자로 참여한 국제 연구팀이 금속 촉매의 화학 결합 메커니즘을 규명했다. 이번 연구는 독일 막스플랑크 다학제과학연구소와의 협업을 통해 수행되었으며, 그 결과는 30일 세계적인 학술지인 사이언스(Science)에 게재되었다.

분자 종류에 따라 4~7나노미터 거리까지 영향 미쳐

백금이나 철과 같은 금속을 활용하는 금속 촉매의 효율성은 분자가 금속 표면에 결합하는 세기에 따라 결정된다. 기존 학계에서는 분자가 결합할 때 주변의 인접 원자들과 상호작용하며 결합력이 형성된다고 보았으며, 표면의 특정 영역에 붙은 분자가 멀리 떨어진 곳의 전자 상태에 영향을 줄 수 있다는 점은 인지하고 있었다. 그러나 결합의 강도 자체가 원거리 구조에 의해 좌우된다는 점은 명확히 밝혀지지 않았던 부분이다.

연구팀은 계단식 구조를 가진 백금 표면을 대상으로 암모니아와 일산화탄소, 그리고 일산화질소 분자의 흡착 강도를 정밀 측정했다. 실험 결과, 분자가 결합하는 지점의 국소적 구조가 동일하더라도 인근 원자 계단과의 간격에 따라 결합의 세기가 달라지는 현상이 관찰되었다. 이러한 영향력은 분자의 종류에 따라 약 4~7나노미터 범위까지 미치는 것으로 분석되었는데, 이는 원자 수십 개를 일렬로 늘어뜨린 정도의 상당한 거리다.

금속 내부 전자의 넓은 분포가 원인

이러한 현상이 발생하는 근본적인 이유는 금속 내부의 전자들이 특정 위치에 국한되지 않고 넓은 영역에 걸쳐 분포하는 특성 때문이다. 분자의 전자와 금속 내부의 전자가 상호작용하는 과정에서, 멀리 떨어진 곳에 위치한 원자 배열 정보까지 결합 세기에 반영되는 것이다. 이번 발견은 향후 화학 반응을 촉진하는 최적의 촉매를 설계하는 데 있어 중요한 지표가 될 전망이다.