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중국과학원 다롄(大連) 화학물리연구소 류웨펑(劉岳峰) 연구원 연구팀은 왕아이친(王愛琴) 연구원, 중국과학원 원사(院士)인 장타오(張濤) 연구원 연구팀 및 프랑스 스트라스부르대학교, 독일 막스플랑크협회(Max Planck Association) 화학에너지전환연구소, 스촨(四川)대학교 연구팀과 공동 연구를 통해, 탄화 몰리브덴(α-MoC) 로드 고밀도 단원자 Pd 기반 촉매의 안정적인 메커니즘을 규명하고, 수소화 반응의 독특한 촉매성능을 선택하는 데 진전을 이루었음.

단원자 촉매(SAC)는 독특한 형상 및 전자 구조를 가지며, 수소화 반응을 선택할 때 우수한 활성과 선택성을 보임. 단일 금속 원자와 로드 체의 직접 화학적 결합 때문에 SAC 성능은 사용한 로드 체 특성에 크게 의존함.

상대적으로 높은 온도에서 개별 원자 촉매는 환원성 분위기에 노출되고 금속-산소 화합물이 파괴되어 개별 원자의 응집/소결로 이어져 화학 선택성을 잃게 됨.

따라서 높은 안정성, 고밀도 단일 원자 선택 수소 촉매 개발, 특히 높은 반응 온도에서 원자 수준의 분산을 유지하는 촉매를 얻는 것은 어려움.

연구팀은 in-situ 샘플 스테이션이 장착된 구차 보정 스캐닝 투과전자현미경(AC-STEM)을 이용하여 대기압(1bar), 20%CH4/H2 혼합가스 분위기에서 높은 로드량(함유량은 5wt%에 달함)의 원자 수준으로 분산된 Pd 나노입자의 역학을 관찰하였음.

연구팀은 in-situ 분광법 기술(NAP-XPS와 준(準) 원 위치 XAS를 포함함)과 이론 계산(DFT)을 결합하여 Pd 원자가 공공을 대량 함유한 탄화 몰리브덴 표면에서 확산되어 고밀도 및 표면에 대량 집중된 단원자 분산 Pd1/α-MoC 촉매를 개발하였음.

연구팀은 Pd1/α-MoC 촉매를 방향족 니트로기 화합물의 액상 선택 수소화와 수소가 대량 함유된 조건에서 수소화 가스 반응(RWGS，CO2 + 3H2→CO + 2H2 + H2O)에 적용하였는데 우수한 활성과 선택성을 보이며, 기존의 Pd 나노입자 촉매보다 우수한 것으로 나타났음. 동 촉매는 400°C에 달하는 환원/반응 분위기를 견딜 수 있을 뿐만 아니라 단일 원자가 응집되지 않았음.

이번 연구는 까다로운 환원 조건과 고밀도 조건에서 여전히 우수한 선택성과 안정성을 보유하고 있는 단일 원자 촉매 개발을 위해 새로운 루트를 제공하고 있음.

본 연구 성과는 ‘Angew. Chem. Int. Ed.’ ("High‐Density and Thermally Stable Palladium Single‐atom Catalysts for Chemoselective Hydrogenations") 지에 게재됨.