나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 허폐이(合肥) 물질과학 연구원 산하 "지능형 기계(intelligent machinery) 연구소" 황씽쥬(黃行九) 연구원 연구팀은 최근 중국과학기술대학교 쩡졔(曾杰) 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하고 최초로 질소 도핑 다공성 카본 상에 분산된 Co 단원자 촉매(Co SAC)를 이용하여 As(III)에 대해 초고(超高) 민감성과 선택성을 보유한 전기화학 검출을 실현하는데 성공하였음.

동시에 연구팀은 싱크로트론 방사 X-레이(synchrotron radiation X-ray)의 정밀 흡수 구조(XAFS) 기술, 밀도 범함수 이론 계산(DFT)과 동력학 시뮬레이션 계산 등 수단과 결합하여 전기촉매 차원에서 Co SAC와 H3AsO3가 전기화학 분석 과정에서 발휘하는 상호 역할 방식과 업무 메커니즘에 대한 정밀 탐색 작업을 실행하였음.

최근 년 간 귀금속, 합금, 카본, 금속 산화물 및 복합물 등 각종 나노 소재는 As(III)의 전기화학 분석에 응용하고 있는 상황이지만 대부분의 연구는 주로 경험적인 검증에 의존하고 있으며 민감 정도, 검출 한계, 선택성 등 화학 현상에만 집중되고 있으며 관련 검출 메커니즘을 중시하지 않고 있기 때문에 물속에서의 As(III)의 높은 민감 정도와 선택성 검출을 실현하는 것은 여전히 한 개 거대한 도전이 되고 있는 상황임.

연구팀은 이번 연구를 통해 최초로 Co SAC 촉매를 합성하고 관련 촉매를 As(III)의 전기화학 검출에 사용함으로써 11.44 μA ppb-1에 대한 초고(超高) 민감 정도와 As(III)에 대한 우수한 선택성을 검출하는데 성공하였으며, 동 민감 정도는 현재까지 보도된 비(非) 귀금속 촉매 중에서 제일 높고 심지어 대부분의 귀금속 나노 소재를 초월하는 것으로 나타났으며, 연구팀이 XAFS와 DFT 계산을 실행한 결과, 반응 과정에서의 H3AsO3 분자는 Co-N2C2에 의해 활성 위치 점에서 촉매가 활성화 되는 동시에 Co-O 하이브리드 키를 형성하여 H3AsO3 환원 과정에서 As-O 분리 단계의 에너지 장벽을 낮춘다는 점을 발견하였음.

연구팀은 반응 동력학 시뮬레이션 계산을 통해 제1전자 이전 과정은 전체 H3AsO3 환원 속도를 제한하는 과정으로서 Co SAC 상에서의 이전 과정은 Co 나노 입자 소재(Co NPs) 상에서의 이전 과정보다 신속하기 때문에 As(0)의 신속한 대량 침적을 추진하여 As(III)의 전기화학 응답 신호를 대폭 증강시키며, 이런 상황은 As(III)의 선택성이 Co-O 하이브리드 키 형성과 관련되어 있다는 점을 의미하고 있으며, Co SAC와 산소 음이온을 함유하지 않는 일반적인 2원자가 중금속 이온 사이에는 특정 상호 역할 위치 점이 존재하지 않는다는 점을 발견하였음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 최초로 단원자 촉매를 이용하여 개발한 센서 인터페이스를 중금속 이온 전기화학 분석에 사용함으로써 전기화학 분석 분야에서의 단원자 촉매 응용 범위를 확장시켰으며, 선진적인 XAFS 표면 특징 분석, DFT 계산과 동력학 수치 시뮬레이션을 통해 원자, 전자 구조와 거시적 전기화학 현상을 효과적으로 연결시켰으며, 센서 소재의 전기 촉매 능력이 분석 물질에 대해 민감성, 선택성 검출을 실현하는 과정에서 중대한 역할을 발휘한다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 Co SAC 작업 메커니즘 연구에 필요한 환경 응용 속에서의 기능 센서 인터페이스 디자인을 위해 원자 레벨의 촉매 수단을 제공한 동시에 촉매 처리 및 물 환경 속에서 오염 물질 제거를 위해 혁신적인 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Analytical Chemistry’ ("Ultra-Sensitive and Selective Detection of Arsenic(III) via Electroanalysis over Cobalt Single-Atom Catalysts")지에 게재됨.