- 인-리간드 산화환원 협동작용 구현 -
(그림) 인-리간드 협동 반응성을 통한 산소 4전자 환원 반응
현재 널리 사용되고 있는 전이금속 촉매의 한계 및 단점을 보완할 수 있는 주족원소 기반 촉매 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 연구의 일환으로 본 연구에서는 2전자 산화환원 반응이 잘 알려져 있는 인 기반 촉매에 전자를 저장할 수 있는 산화환원 활성 리간드를 도입해 일반적이지 않은 평면형의 인 화합물을 만듦으로써 주족원소 중심에서 알려진 적 없는 산소에 대한 4전자 환원 반응성을 실현했다.
[그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 김성규 석박사통합과정]
국내 연구진이 일반적인 산화환원 반응의 가용 전자 수보다 2배 많은 4전자 산화환원 반응 촉매*를 개발했다.
* 촉매 : 자신은 변하지 않으면서 화학반응 속도를 더 빠르거나 느리게 조절하는 물질.
한국연구재단은 황승준 교수(포항공과대학교) 연구팀이 주족원소*인 인(P)을 기반으로 한 촉매의 리간드** 협동 반응성을 통해 4전자 산화환원 촉매 시스템을 구현했다고 밝혔다.
* 주족원소 : 주기율표에서 수소를 제외하고 s-구역에 속하는 1족, 2족 원소들과 p-구역에 속하는 13~18족의 원소. 지구와 태양계를 포함한 우주에서 가장 풍부하게 존재함.
** 리간드 : 화합물의 중심금속 이온의 주위에 결합하고 있는 분자나 이온.
화학반응에서의 가용 전자 수는 반응 메커니즘과 생성물을 좌우하는 중요한 요소이다. 전자 수가 많을수록 화합물을 만들기에 유용한데, 여기에는 반응을 매개할 수 있는 촉매가 꼭 필요하다.
현재 널리 이용되고 있는 전이금속* 기반 촉매는 지각 내 매장량이 적고 독성이 있어, 양적으로 풍부한 원소를 기반으로 한 친환경적이면서도 안전한 촉매 개발이 필요한 실정이다.
* 전이금속 : 주기율표의 3족에서 12족까지 위치한 원소들. 촉매로 많이 사용되는 철, 구리, 금, 은, 백금, 니켈, 망간, 코발트, 아연, 카드뮴 등이 해당됨.
연구팀은 전이금속 대신 매장량이 많고 친환경적인 주족원소 인(P)을 활용, ‘기하구조 변형’과 ‘인-리간드 산화환원 협동과정’ 등 두 가지 핵심 전략을 사용해 4전자 산화환원 반응을 구현했다.
기존 연구에 따르면 주족원소 화합물의 경우 기하구조를 평면 형태로 바꾸면 원자간 상호작용 변화로 인해 전이금속과 유사한 반응성을 나타낼 수 있음이 밝혀진 바 있다.
이에 연구팀은 먼저 기존의 2전자 산화환원 반응성 인 화합물의 기하구조를 평면화해 반응성을 높였다. 여기에 전자를 저장할 수 있는 산화환원 활성 리간드를 도입해 전자적 교류가 가능한 형태의 촉매를 설계함으로써, 추가적인 2전자를 리간드로부터 받아와 총 4전자 산화환원 반응을 구현해 낼 수 있었다.
연구팀 설명에 따르면 현재까지 균일계 촉매* 시스템에서 단일 원소 중심의 4전자 산화환원 반응은 보고된 바가 거의 없다.
* 균일계 촉매 : 촉매가 반응물과 같은 상으로 존재하는 촉매(보통 액체).
따라서 본 연구에서 구현한 4전자 산화환원 반응성에 대한 새로운 접근법은 기존에 정체되어 있던 주족원소 촉매에서의 다전자 산화환원 반응 연구에 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다.
황승준 교수는 “4전자 산화환원 반응은 연료전지의 핵심 반응으로, 에너지 변환 촉매로의 활용 가능성도 기대할 수 있다”며, “후속 연구를 통해 구체적인 구조분석을 진행할 계획”이라고 말했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구(우수신진)사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)’에 4월 10일 온라인 게재되었다.
