나노기술 및 정책 정보

• 목록

중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 산하 "마이크로 나노 반응기 및 반응 공정학 연구 그룹"의 류졘(劉健) 연구원 연구팀은 톈진(天津) 대학교 량지(梁驥) 교수 연구팀, 오스트레일리아 스위번 공과대학교(University of Science and Technology, Swipon, Australia) 쑨청화(孫成華) 교수 연구팀과 공동연구개발로, 나노공간 제한전략을 통해 Fe-Cu 쌍 단일 원자 서브 나노 반응기를 개발하여 전기촉매 N2 환원반응에 사용하고, NH3 효율적 합성을 실현하였음.

단일 원자 촉매는 최대한도로 활성 물질을 활용하기 때문에 전기 촉매 분야에서 광범위한 응용 전망을 가지고 있음. 현재 특정 반응을 충족하기 위해 원자 수준의 활성 위치를 정확하게 제어하는 것은 단일 원자 촉매의 병목 현상으로 남아 있음.

연구팀은 이번 연구를 통해 서브 나노 공간제한 전략, 즉 흑연 질화 탄소의 미세 환경에서 규칙적인 표면 캐비티(Surface cavity)를 가지는 독특한 특성을 이용하여 Fe-Cu 단일 원자를 정밀하게 제한하였으며, Fe-Cu 단일 원자의 기하학적 구조를 조절하여 "서브 나노 반응기"를 개발하였음.

연구팀은 고도로 제한된 서브 나노 반응기 속에서 Fe-Cu 촉매 활성 중심과 반응물은 더욱 강한 상호작용을 보이고 지극히 좁은 제한 영역 공간의 독특한 미세 환경은 질소 환원 반응을 대표로 하는 다단계 전기 촉매 과정에 상당한 시너지 효과를 가진다는 점을 발견하였음.

그 외, 연구팀은 제1성 원리 시뮬레이션과 결합하여 이런 시너지 효과는 독특한 Fe-Cu 배위(coordination)에서 N2 흡수를 효과적으로 일으키고, 전자 전이를 개선시키면서 질소 환원 반응에 대한 추가 산화 환원 전자쌍을 제공한다는 점을 발견하였음.

연구팀은 서브 나노 크기에서 촉매 활성 중심을 조작하기 위한 새로운 전략을 제공하고 서브 나노 크기에서 정밀한 공간 위치 확정 특성을 가진 새로운 촉매 디자인에 대한 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’ ("Confined Fe–Cu Clusters as Sub‐Nanometer Reactors for Efficiently Regulating the Electrochemical Nitrogen Reduction Reaction") 지에 게재됨.