IBS·막스플랑크 연구팀, 금속 촉매 표면 화학결합의 ‘장거리 영향’ 규명

[수완뉴스=김동주 기자] 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단과 독일 막스플랑크 다학제과학연구소 공동연구팀이 금속 촉매 표면에서 분자가 결합한 지점으로부터 수 나노미터(nm) 떨어진 원자 구조도 화학 결합의 세기에 영향을 준다는 사실을 밝혀냈다고 과학기술정보통신부가 30일 밝혔다. 연구 결과는 이날 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 실렸다.

금속 촉매 반응은 분자가 금속 표면에 달라붙으면서 시작되며, 이때 결합 세기가 반응 효율을 좌우한다. 그동안 이 결합은 분자가 직접 맞닿는 주변 원자와의 상호작용으로 주로 설명돼 왔고, 멀리 떨어진 영역의 전자 효과는 매우 낮은 온도에서만 관찰돼 실제 촉매 반응과는 무관한 것으로 여겨졌다.

연구팀은 원자가 계단 모양으로 쌓인 백금 표면을 계단 간격별로 만들어 암모니아(NH₃), 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO)의 결합 세기를 비교했다. 그 결과 분자가 붙는 지점의 구조가 비슷해도 이웃 계단까지의 거리에 따라 결합 에너지가 최대 약 0.2전자볼트(eV) 달라졌다. 영향이 나타나는 거리는 분자 종류에 따라 약 4~7나노미터였다.

연구팀은 금속 내부에 넓게 퍼진 전자가 분자의 전자와 상호작용하면서 멀리 떨어진 원자 구조의 영향까지 받게 된다고 설명했다. 분자마다 효과가 다른 이유를 설명하기 위해 화학의 분자 궤도와 물리학의 전자띠 개념을 결합한 ‘프런티어 오비탈-밴드 모델’도 제시했다.

공동 교신저자인 드미트리 보로딘 IBS 그룹리더는 “이번 연구가 보다 정교한 계산과 효율적인 촉매 설계에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다. 연구는 과기정통부의 IBS 기초과학연구단 지원 사업으로 수행됐다.

김동주 기자 (tongjoo@swn.kr)