나노기술 및 정책 정보

• 목록

스웨덴의 Chalmers University of Technology 연구팀은 나노입자가 촉매작용에서 얼마나 잘 작동할 수 있는지는 가장 가까운 이웃이 결정한다는 것을 분석하였음. 연구의 장기적인 목표는 미래에 보다 효율적인 촉매에 기여하는 초입자를 식별할 수 있느냐는 것임. 현재보다 자원을 더 잘 활용하기 위해 가능한 한 많은 입자가 동시에 촉매 반응에 적극적으로 참여하여야 함. 많은 이웃들이 모여 공동으로 청소한다고 상상해보면, 그들은 각자 그룹이 기여하는 작업을 시작함. 유일한 문제는 모든 사람이 동등하게 활동하지 않는다는 것임. 어떤 사람들은 열심히 일하고 효율적으로 일하는 반면, 다른 사람들은 주위를 거닐며 이야기하고 커피를 마심. 최종 결과 만 본다면 누가 가장 많이 일했는지, 누가 놀았는지 알기가 어려울 것임. 이를 확인하려면 하루 종일 각 사람을 모니터링해야 함. 촉매에서 금속 나노입자의 활성도 마찬가지임.

촉매 내부에서 여러 입자가 반응의 효과에 영향을 줌. 군중의 일부 입자는 효과적이지만 다른 입자는 비활성 상태임. 그러나 입자는 종종 스폰지처럼 서로 다른 "구멍"에 숨겨져 있어 연구하기가 어려움. 촉매 기공 내부에서 실제로 무슨 일이 일어나는지 알기 위해 연구원들은 투명한 유리 나노튜브에서 구리 입자 몇 개를 분리했음. 가스가 채워진 작은 파이프에 여러 개가 모이면 실제 조건에서 어떤 입자가 언제, 무엇을 하는지 연구할 수 있음. 튜브에서 입자는 유입되는 산소와 일산화탄소 혼합 가스와 접촉함. 이러한 물질이 구리 입자 표면에서 서로 반응하면 이산화탄소가 생성됨. 자동차의 촉매 변환기에서 배기가스를 정화할 때 발생하는 것과 동일한 반응임. 단, 백금, 팔라듐 및 로듐 입자는 구리 대신 독성 일산화탄소를 분해하는 데 자주 사용됨. 그러나 이러한 금속은 비싸고 희소하기 때문에 연구자들은 더 자원 효율적인 대안을 찾고 있음. 구리는 일산화탄소를 산화시키는 흥미로운 후보가 될 수 있음. 문제는 구리가 반응 중에 스스로가 산화되는 경향이 있으며 구리 입자가 촉매 내부에서 가장 활동적일 때 어떤 산화 상태를 갖는지 측정할 수 있어야한다는 것임. 실제 촉매 내부의 기공을 모방한 나노 반응기를 사용하면 이제 가능할 것임. 오래된 구리 지붕이나 동상을 본 사람이라면 누구나 대기 및 오염 물질과 접촉한 후 곧 붉은 갈색 금속이 어떻게 녹색으로 변하는 지 알아볼 것임. 촉매의 구리 입자에서도 비슷한 일이 발생함. 따라서 효과적인 방법으로 함께 일하게 하는 것이 중요함.

지금 연구팀이 보여준 것은 입자의 산화 상태가 반응 중에 가장 가까운 이웃에 의해 동적으로 영향을 받을 수 있다는 것임. 따라서 희망은 궁극적으로 촉매제에서 최적화된 이웃 협력의 도움으로 자원을 절약할 수 있다는 것임.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ (“Copper catalysis at operando conditions—bridging the gap between single nanoparticle probing and catalyst-bed-averaging”)와 ‘Science Advances’ (“Operando detection of single nanoparticle activity dynamics inside a model pore catalyst material”) 지에 게재됨