나노기술 및 정책 정보

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  연구자들은 금 촉매에 관한 수수께끼가 이제 부분적으로 풀렸다고 생각하고 있다. 금은 먼저 자신을 산화시켜 산화반응의 촉매 역할을 한다. 상온 대기압에서의 금-산화물과 관련한 새로운 연구결과로 인해, 이러한 조건에서 촉매 금 나노클러스터의 산화 메커니즘을 드디어 이해 할 수 있게 되었다.
  “반응공정에서 공기 중 산소를 사용할 수 있는 산화촉매 설계 시, 이 기술은 필수적이다. 저온에서 작동하는 촉매는 향후 에너지 효율성 측면에서 중요하다.”라고 Jyväskylä 대학의 Nanoscience Centre (NSC) 연구교수인 Karoliina Honkala가 말했다.
  NSC 연구진들은 전산 연구를 통하여, 나노미터 크기의 금 클러스터가 클러스터의 경계에서 새로운 1차 원 금-산화물 상의 형성에 의해서 산소-산소 결합을 완전히 깰 수 있다는 새로운 증거를 제시했다. 이 메커니즘은 대기압과 실온 환경에서 지배적이라고 예측된다.

  본 연구결과는 Angewandte Chemie 9월호에 발표되었다( 발표논문 1). 이번 연구는 Karoliina Honkala 교수의 Academy of Finland Academy Researcher 프로젝트의 일환이며, Hannu Häkkinen 교수와 공동으로 진행되었다. 전산작업은 CSC(Finnish IT Center for Science)의 다양한 자원을 활용했다.
  본 연구에서, 연구진은 단일층 두께의 금 클러스터를 다양한 수의 산소 분자에 노출시켰다. 심지어 한 개의 금 클러스터가 클러스터 경계에서 여러 개의 산소 분자들을 효과적으로 흡착할 수 있고, 동시에 전자를 산소분자에 전달함으로써 산소-산소 결합을 약하게 (스트레칭) 한다는 사실이 밝혀졌다. 온도와 주위 압력의 효과를 고려하여, 산소 분자가 완전히 해리되고 산소와 금 원자가 클러스터 경계 (그림 참조)에서 일차원적으로 번갈아 가면서 배열된 사슬을 형성 할 것이라는 계산결과가 예측되었다. 이들 사슬에서 산소 원자는 음전하, 금 원자는 양전하를 띄게 되어, 일차원 금-산화물 사슬을 연상시키는 시스템을 만든다. 이러한 사슬은, 실온에서 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는데 있어 매우 높은 촉매역할을 할 것으로 예상된다.
  연구진인 Pentti Frondelius, Hannu Häkkinen과 Karoliina Honkala는, 은 표면에 성장된 마그네슘 산화물 박막에 의해 지지되는 10~20개의 원자들로 이루어진 단일층-두께 금 클러스터를 연구했다. 이러한 시스템은 실험적으로 제작할 수 있다. 작년 Jyväskylä 그룹은 이 시스템에서 금 클러스터의 원자 및 전자구조 특성 규명과 관련한 논문을 베를린에 있는 Fritz-Haber Institute의 Hans-Joachim Freund 교수와 공동으로 발표했다( 발표논문 2).
  1980년대 초반부터 이루어진 심도 깊은 연구를 통해, 금 나노입자들이 산소 또는 탄화수소 분자 내부의 원자결합의 활성화를 포함한 산업적으로 중요한 많은 화학 반응에서 예기치 않은 촉매 특성을 나타낸다는 것이 밝혀졌다. 실온에서 일산화탄소와 산소분자로부터 이산화탄소가 형성되는 것은 가장 널리 연구된 공정 중 하나이다. 다수의 다른 인자들이, 핵심적인 반응단계로 여겨지는 산소-산소 결합 활성화를 위한 금 입자의 기능에 영향을 미치는 것으로 알려지고 있다.
  “본 연구결과는 문제에 대한 새로운 접근 방식을 제시하고 있다. 금산화물의 형성, 즉 금의 산화반응은 거시적인 금속으로서의 금의 알려진 특성과 모순된다. 그러나 나노미터크기에서는, 모든 것이 가능해보인다.”라고 Häkkinen 교수가 말했다.

발표논문 1: Pentti Frondelius, Hannu Häkkinen and Karoliina Honkala, “Formation of Gold(I) Edge Oxide at Flat Gold Nanoclusters on an Ultrathin MgO Film under Ambient Conditions”, Angewandte Chemie International Edition, Published online 17 SEP 2010, doi: 10.1002/anie.201003851
발표논문 2: X. Lin, N. Nilius, H.-J. Freund, M. Walter, P. Frondelius, K. Honkala, and H. Häkkinen, “Quantum well states in two-dimensional gold clusters on MgO thin films”, Phys. Rev. Lett. 102(20), 19 May 2009, doi: 10.1103/PhysRev Lett.102.206801