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촉매는 플라스틱이나 화장품 원료를 만드는 공정부터 디젤차의 배기가스 저감 장치까지 다양한 산업 분야에서 쓰인다.
특히 단원자 촉매는 덩어리 형태 금속 촉매보다 비싼 희귀금속 원료를 적게 쓸 수 있어 차세대 촉매로 떠오르고 있다. 하지만 기존 단원자 촉매 합성법은 여러 단계의 공정을 거쳐야 했고, 이 과정에서 유기 오염물이나 유해 가스가 발생했다.
연구팀이 개발한 합성법은 용기에 금속 구슬, 질소 가스, 지지체를 넣고 돌리면 된다. 금속 구슬이 서로 강하게 충돌하면 표면이 압축과 팽창을 반복해 활성 상태가 된다.
이 때 지지체가 활성화 된 금속을 잡아당겨 금속 원자가 쉽게 떨어져 나오는 원리를 쓴다. 같이 넣은 질소 가스도 질소 원자 형태로 지지체 구조 안에 들어가며, 이 질소 덕분에 금속이 단일 원자 상태로 지지체에 안정하게 고정된다.
촉매 합성에 유기 액체를 쓰는 것과 달리 이 합성법은 일산화탄소, 염소 가스 같은 유해 가스가 발생하지 않아 친환경적이다. 금속 구슬의 원료만 바꾸면 다양한 종류의 단원자 촉매도 합성할 수 있다.
연구팀은 금속 구슬 원료를 철, 니켈, 코발트, 구리로 바꿔 촉매를 합성했다. 합성된 단원자 촉매의 성능도 기존 귀금속 촉매보다 뛰어나 상업화 가능성도 크게 보고 있다.
백종범 교수는 “단원자 촉매 합성의 문제점을 한 번에 해결할 수 있는 합성법을 개발했다”며 “앞으로 다양한 산업에 응용할 수 있어 수소 경제와 탄소 중립 사회 실현에도 기여할 수 있다”고 말했다.
연구 결과는 나노공학 분야 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 10일자로 게재됐다.
