한국연구재단은 최경민‧김우열 교수 연구팀(숙명여대)이 새장(birdcage)처럼 케이지 형태로 촉매를 감싸 분자촉매의 효율을 떨어뜨리지 않으면서 안정성을 높일 수 있는 실마리를 찾아냈다고 밝혔다.
화학반응이 원활하게 이뤄지도록 돕는 촉매(catalyst)는 고부가가치 화학제품을 만들 수 있는 ‘마법사의 지팡이’로 불린다. 특히 널리 쓰이는 금속촉매와 달리 작은 분자 하나하나가 반응에 관여하는 분자촉매는 활성이 높아 미래의 촉매로 주목받지만, 반응과정에서 서로 결합해 다른 화합물로 변하기 쉬워 활용이 어려 웠다.
금속유기-단위입자(metal-organic polyhedra)- 선택된 방향으로만 결합할 수 있는 금속산화물과 유기링커가 결합된 형태의 독립된 케이지 형태를 가지며 1~ 2nm 정도의 나노입자로 존재한다. 비슷한 군의 물질로 금속유기구조체(metal-organic frameworks, MOFs)가 있으며, 이 역시 금속산화물과 유기물의 결합으로 이루어져 있다. 하지만 결합이 무한히 반복되어 이어진다는 점에서 단위입자로 존재하는 금속유기-단위입자와 뚜렷한 차이가 있다.
분자촉매- 생산물에 대한 높은 선택성(selectivity)을 가지며 다른 부산물 없이 태양광을 이용하여 고효율로 원하는 화학반응을 촉진시키거나 오염물을 분해할 수 있는 물질이다. 다만 반응과정에서의 안정성이 부족하여 촉매활성이 쉽게 저하되기 때문에 분자광촉매를 지지체에 고정하여 안정성을 높이는 것이 숙제였다.
분자촉매-금속유기 단위입자(ReTC-MOP)는 금속유기 구조체의 단점을 극복하고 분자촉매의 높은 효율을 유지하면서 안정성을 높일 수 있는 새로운 대안으로 개별 단위입자로 선택된 방향으로만 결합할 수 있는 금속산화물 클러스터로 구성되어 있다.
(왼쪽 그림) 분자 촉매(H2ReTC)는 일반적으로 높은 활성과 높은 선택성을 가지지만, 촉매 안정성이 아주 낮은 것으로 알려져 있다. 이에 반해, 금속유기-구조체(ReTC-MOF)는 분자촉매와의 강한 결합을 통해 촉매 안정성을 크게 향상시켜 왔으나, 상대적으로 매우 낮은 촉매활성을 보여 왔다. 따라서 높은 안정성과 높은 촉매 활성을 동시에 구현시킬 수 있는 촉매 개발에 대한 수요가 이어진 가운데, 금속유기-단위입자(ReTC-MOP)는 새로운 연구방향을 제시할 수 있었다.
(오른쪽 그림) 금속유기-단위입자(ReTC-MOP)는 메탈 클러스터부분과 링커(BPDC) 및 촉매 입자(ReTC)로 구성되어 있다. 금속유기-단위입자는 용액 중에 따로 존재하여 쉽게 용매화되어, 유입되는 CO2를 광 촉매반응을 통해 CO로 변환시키는 데에 효과적으로 작용한다.
때문에 다른 입자와 결합시켜 분자촉매의 안정성을 높이는 방법이 주로 이용됐다. 하지만 이 경우 안정성을 얻는 대신 활성이 낮아지는 단점이 있었다.
이에 연구팀은 각 분자촉매를 속이 비어 있는 사면체 케이지 형태 입자에 넣는 방식으로 안정성과 활성 두 마리 토끼를 모두 잡는데 성공했다. 각각의 케이지가 용액 중에서 분산된 형태로 존재, 안에 든 분자촉매가 서로 만나지 못하게 함으로써 본래 활성을 유지하면서 안정성도 잃지 않는 원리다.
구체적으로 약 1.5 나노미터(㎚) 크기인 금속유기-단위입자※로 된 케이지 안에 분자촉매를 하나씩 결합, 각 촉매분자들이 떨어져 있도록 유도함으로써 다른 화합물로 변하는 것을 방지했다. 실제 24시간 동안 보호 케이지 안에 담긴 광촉매의 반응활성을 측정한 결과 반응성능이 42배 이상 증가했으며, 단위시간당 활성도 일정하게 유지됐다.
다양한 분자촉매를 담을 수 있는 플랫폼을 개발하고 실제 촉매에 적용한 사례로 향후 오염물 분해반응, 유기합성, 전기화학반응 등 다양한 반응에서 촉매의 활성과 안정성을 높이는 데 실마리가 될 것으로 기대된다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(신진중견연계)의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 10월 29일 자로 게재되었으며, 프린트판의 표지논문으로 추천되었다.
