나노기술 및 정책 정보

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● 한양대학교 김경학 교수, 서울대학교 김재정, 현택환 교수, 포항공과대학교 한정우 교수 공동 연구팀이 팔라듐-금 코어쉘 나노촉매를 개발하여 우수한 성능과 높은 안정성을 바탕으로 아산화질소를 분해하는데 성공

● 아산화질소(N2O)의 경우 생성되는 양은 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4) 보다는 적으나 온난화지수(GWP)가 이산화탄소, 메탄의 300배 이상이고, 자연 분해되기까지도 100년 이상 소요되는 만큼 관리가 필요한 위험 물질

● 이에 연구팀은 아산화질소가 팔라듐(Pd) 촉매와 만나면 질소와 산소로 분해되고, 팔라듐 촉매 표면에 인장력(tensile strain)을 가할 경우, 촉매 성능이 크게 향상된다는 점에 주목

● 하지만, 기존 팔라듐 촉매에 효율적인 인장력을 가하려면 환경조건의 변화가 필요했고, 이를 위한 시설 및 운용 비용이 요구되는 문제점이 있었고, 이를 극복하고자 팔라듐보다 원자반지름이 큰 금(Au)을 활용

● 연구팀은 금으로 나노입자를 만들고, 나노입자의 표면에 팔라듐 원자층을 감싸 ‘코어쉘(core-shell) 구조’를 제작하였고, 표면에 위치한 원자층의 두께를 최적화함으로써 외부 에너지 소모 없이 팔라듐 촉매에 인장력을 가함.

● 본 연구로 설계된 나노촉매는 기존 촉매 대비 아산화질소 분해 능력이 크게 증가되었고, 1,000회의 성능테스트 후에도 기존 대비 약 30%의 안정성 증진 효과를 보임

● 해당 연구는 계산화학적 방법론을 통해 촉매 소재 스크리닝을 수행하고, 이를 바탕으로 새로운 촉매설계 방법론을 제시함으로써 연구효율을 높였다는 점에서 큰 의의를 가짐.

● 본 연구에 활용된 이론-실험-실증의 연구방법론은 금속 나노입자를 바탕으로 하는 다양한 촉매설계에 활용될 수 있을 것으로 기대

※ 용어설명

- 계산화학적 방법론: 양자역학, 뉴턴역학, 통계열역학 등의 물리화학이론을 바탕으로 한 컴퓨터 시뮬레이션 기법으로 소재의 특성 분석에 널리 활용되고 있음.

※ ACS Catalysis 게재 (2021.12.03.), “Systematic Approach to Design of Highly Efficient Core-Shell Electrocatalysts for N2O Reduction”

※ 한국연구재단(중견연구자지원사업, IBS연구단의 지원사업) 지원