나노 '원자촉매 호텔' 기술 개발, 자기 방을 가진 원자들의 반응과 효율성 극대화를 이루다

포항공과대학교(POSTECH) 연구진이 화학 반응 효율을 획기적으로 높이는 '원자촉매 호텔' 기술을 개발해 화학 산업의 패러다임을 바꿀 것으로 기대된다. 이 연구 성과는 화학 분야 권위지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'에 최근 게재됐다.

화학과 이인수 교수와 심지훈 교수가 이끄는 공동연구팀은 '2D-나노공간 한정' 전략을 통해 단일 원자 촉매의 효율성 문제를 해결했다. 이 기술은 두 개의 얇은 실리카층 사이에 금속 원자를 가두어 원자들이 뭉치는 현상을 방지한다.

화학 산업계는 오랫동안 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등 귀금속 원자가 개별적으로 분포된 '단일 원자 촉매'(Single-Atomic Catalyst) 개발에 주력해왔다. 이러한 촉매는 화학 반응을 매우 효율적으로 일으킬 수 있지만, 귀금속 원자들이 서로 뭉치는 성질 때문에 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

연구팀이 개발한 기술은 실리카층 사이의 좁은 공간에 원자들을 가두어 수직 이동을 제한하고 옆으로만 움직이게 한다. 이 제한된 공간에서 원자들은 1나노미터(nm) 두께의 금속 산화물 시트 위에 균일하게 배열된다. 마치 각 촉매 원자가 호텔의 개별 객실에 머무는 것과 같은 구조다.

이 새로운 촉매는 알코올에서 수소를 추출하는 반응에서 기존 촉매보다 월등히 우수한 성능을 보였다. 이 반응은 알코올을 유용한 화학물질로 변환하는 과정으로, 다양한 산업 분야에서 중요하게 활용된다.

이인수 교수는 “단순한 합성 공정을 통해 촉매를 만들 수 있어 대량 생산이 가능하며, 실리카처럼 비교적 저렴한 재료를 사용해 경제성까지 확보한 친환경 기술”이라며 “이 촉매는 재활용할 수 있어 실제 산업에 적용되면 훨씬 더 효율적이고 환경친화적인 화학 공정이 가능해질 것"이라는 기대를 전했다.