금속 촉매 표면에서 분자가 결합한 지점으로부터 수 나노미터 떨어진 원자 구조도 화학 결합의 세기에 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌다. 과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단과 독일 막스플랑크 다학제과학연구소 공동연구팀이 이를 규명했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '사이언스'에 30일 오전 3시 게재됐다. 연구는 과기정통부의 IBS 기초과학연구단 지원 사업으로 수행됐다.
금속 촉매는 화학 반응을 촉진하는 물질로 화학제품과 연료 생산 등에 쓰인다. 금속 촉매 반응은 분자가 금속 표면에 달라붙는 과정에서 시작되고, 이때 분자와 금속 사이의 결합 세기가 이후 반응의 원활함을 좌우한다. 이 때문에 분자가 금속 표면에 결합하는 원리를 이해하는 일은 촉매 성능을 예측하고 개선하는 데 중요하다.
그동안 분자와 금속의 결합은 분자가 직접 맞닿는 주변 원자와의 상호작용 중심으로 설명돼 왔다. 금속 표면에 붙은 원자나 분자가 멀리 떨어진 영역의 전자에도 영향을 줄 수 있다는 사실은 알려져 있었지만, 이런 현상은 주로 매우 낮은 온도에서 관찰됐고 실제 촉매 반응의 결합 세기에는 거의 영향이 없는 것으로 여겨졌다.
◆ 백금 계단 표면 실험…결합 에너지 최대 0.2 전자볼트 차이
연구진은 이 인식과 달리 장거리 전자 효과가 분자와 금속 사이의 결합 세기를 바꿀 수 있다는 사실을 실험으로 확인했다. 원자들이 층층이 쌓여 계단 모양을 이루는 백금 표면을 이용해, 원자계단 사이 간격이 서로 다른 표면을 만들고 암모니아, 일산화탄소, 일산화질소 분자의 결합 세기를 정밀하게 측정·비교했다.
그 결과 분자가 붙는 지점의 구조가 비슷해도 이웃한 계단까지의 거리에 따라 결합 세기가 달라졌다. 결합 에너지 차이는 최대 약 0.2 전자볼트로, 결합의 안정성이 크게 달라질 수 있는 수준이라고 연구진은 설명했다. 장거리 영향이 나타나는 특성 거리는 분자 종류에 따라 약 4~7나노미터다.
원인은 금속 내부의 '전자 바다'다. 금속에서는 많은 전자가 특정 원자에 머물지 않고 넓게 퍼져 있어, 분자가 붙으면 분자의 전자와 금속의 전자가 상호작용하면서 멀리 떨어진 원자 구조의 영향까지 받는다. 연구진은 분자마다 장거리 영향이 다른 이유를 설명하기 위해 화학의 분자 궤도와 물리학의 전자띠 개념을 결합한 '프런티어 오비탈-밴드 모델'을 제시했다. 분자 궤도는 분자 안에서 전자가 어떤 에너지와 공간 분포를 갖는지 나타내는 개념이고, 전자띠는 고체를 이루는 원자들의 전자 상태가 결합해 만드는 에너지 영역이다. 분자마다 전자 상태가 달라 금속 안의 서로 다른 전자 상태와 상호작용하기 때문에 같은 금속 표면에서도 분자에 따라 영향이 달라진다는 설명이다.
플로리안 니츠 막스플랑크 다학제과학연구소 연구원은 "표면 화학을 올바로 이해하려면 분자를 중심으로 보는 화학과 금속의 전자적 특성을 다루는 물리학의 관점을 통합해야 한다"고 말했다. 드미트리 보로딘 IBS 양자나노과학 연구단 그룹리더는 이번 연구가 화학 결합에 대한 이해를 넓혀 더 정교한 계산과 효율적인 촉매 설계에 기여할 것으로 기대한다고 밝혔다.
◆ 촉매 설계로 이어지려면 후속 검증 필요
이번 결과는 백금 단결정의 계단 표면에서 세 종류 분자를 대상으로 얻은 실험이다. 연구진이 기대하는 촉매 설계 기여가 실제 산업용 촉매로 이어지려면 다른 금속과 분자, 실제 반응 조건에서도 장거리 효과가 확인돼야 한다. 과기정통부는 국제공동연구 기반 강화를 밝혔지만 구체적 지원 계획은 제시하지 않았다. 후속 연구에서 이 효과가 촉매 반응 속도에 얼마나 반영되는지가 지켜볼 대목이다.
기사작성: 미디어코리아 박상찬 기자 mknews114@gmail.com