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32 공업화학 전망, 제15권 제5호, 2012
일본 토호쿠대학(東北大学) 등, 나노 크기의 세공을 갖는 금속 촉매 활성 기구를 원자 수준에서 규명
• 기존의 나노입자 촉매는 활성 기구가 불분명하여 설계 지침이 세워지지 않았으며 양산화나 비용에 한 계가 있음
• 다공질의 나노포러스 금속촉매에 착안, 최첨단 현미경으로 촉매 활성의 기원을 최초로 해명 • 나노 입자의 결점을 극복하고, 신기능성 재료의 고반응효율로 대량 생산이 기대
일본 과학기술진흥기구(JST) 과제달성형 기초연구의 일환으로 토호쿠대학(東北大學) 원자분자 재료과학 고등연구기구(AIMR)의 후지타 타케시(藤田武志) 준교수는 ‘나노포러스 금속’ 촉매 기구를 원자 수준에서 최초로 규명하여 새로운 촉매 설계의 길을 열었다.
현재, 화학공업분야에서는 다양한 나노미터(나노는 10억분의 1) 크기의 입자를 이용한 불균일계(고체) 촉매가 주로 이용되는데, 사용 과정에서 나노 입자끼리 합체되어 5 nm 이상의 크기가 되면 촉매 활성이 거의 없어져 버리는 문제가 있었다. 한편, 촉매의 활성 기구가 불분명하기 때문에 촉매 활성 연명에 대한 설계 지침이 세워지지 않았으며, 또한 나노 입자의 균일제조는 복잡하고 양산이 어려워 많은 비용이 들고, 반응에 필요한 준촉매와의 조합을 통해 재료를 선택할 필요가 있는 등의 문제점도 있었다.
이번 연구에서는 나노포러스 금속(스폰지 모양의 나노 크기의 세공이 많이 있는 금속) 촉매가 종래의 나 노입자 촉매와 동등한 기능을 가지며 구멍의 크기가 30 nm 정도여도 뛰어난 촉매활성을 유지하는 것에 착 안, 촉매 활성 기원을 해명하는 것을 목표로 했다.
후지타 교수는 고분해능을 갖는 구면수차보정장치를 탑재한 투과전자현미경 및 세계에 1대밖에 없는 가 스 환경셀을 구비한 초고압 전자현미경을 이용하여 나노포러스 촉매의 원자가 반응 시 움직이는 모양을 실 시간으로 관찰하는 데 성공했다. 그 결과, 촉매 활성은 촉매 표면의 ‘원자 스텝’이라는 원자 수준의 단차와 이와 같은 위치에 발생하는 ‘왜곡’에 의해 일어나는 것과 촉매 표면이 패시트(facet)화 되면 활성이 떨어지 는 것을 발견했으며, 촉매 활성 반응의 시작부터 마지막까지의 모든 메커니즘을 해명했다. 또 패시트화 하 지 않는 합금설계를 통해 실제 촉매 활성 저하를 억제한 나노포러스 금속 제작에도 성공했다.
세공 주변을 따라 수많은 ‘원자스텝’이 존재한다. 화살표는 주사 전자현미경의 밝기에 따라 관찰된 원자 수준의 각 단차를 나타내고 있으며, 전체적으로 계단 모양이 되고 있는 것을 알 수 있다. 이런 곳이 촉매의 활성점인 것으로 알려져 있다.
이번 성과를 통해 나노포러스 촉매의 활성을 유지하는 재료 설계에 구체적인 지침을 얻을 수 있었다. 나 노포러스 촉매는 합금의 부식만으로 제작할 수 있기 때문에 양산에 적합하며, 합금설계도 용이하고 준촉매 가 필요하지 않아 재료의 조합을 선택하지 않는다. 또 눈에 보일 정도로 크기 때문에 체내에 흡입될 위험성 도 없는 등 기존의 나노입자 촉매가 해결해야 했던 많은 과제를 한 번에 극복할 가능성이 있다.
향후 나노포러스 금속촉매의 고반응효율·고내구성을 추구하여 나노입자 촉매를 대신하는 자동차 배기 가스 촉매의 창출 등, 다양한 신기능성 재료가 전개될 것으로 기대된다.
본 연구 성과는 2012년 8월 12일 ｢Nature Materials｣ 온파인판에 공개되었다(※ 발표논문 참고).
※ 발표논문 : Takeshi Fujita, Pengfei Guan, Keith McKenna, Xingyou Lang, Akihiko Hirata, Ling Zhang, Tomoharu Tokunaga, Shigeo Arai, Yuta Yamamoto, Nobuo Tanaka, Yoshifumi Ishikawa,
KIC News, Volume 15, No. 5, 2012
KIC News, Volume 15, No. 5, 2012 33
Figure 1. PEDOT:PSS의 전기전도도 향상 모식도.
위: 에틸렌글리콜 미첨가, 아래: 에틸렌글리콜 첨가.
Naoki Asao, Yoshinori Yamamoto, Jonah Erlebacher & Mingwei Chen, “Atomic origins of the high catalytic activity of nanoporous gold”, Nature Materials, Published online12 August 2012 DOI: 10.1038/nmat3391
Figure 1. 나노 포러스 금속의 주사형전자현미경사진.
출 처 : 2012.08.13. JST(http://www.jst.go.jp/pr/announce/20120813/index.html) 작 성 : 소 대 섭(한국과학기술정보연구원)
일본 AIST, 열전변환 성능이 우수한 전기 전도성 고분자박막 개발
－ 150℃ 이하 폐열의 재이용 목표 －
• 나노결정 입자의 정렬에 의해 전도성 고분자 박막의 전도성 향상 • 실온에 있어 유기재료의 세계 최고 수준의 열전변환 성능 달성 • 유연성이 있는 열전변환 소자 및 환경발전 등으로의 응용 기대 일본 산업기술종합연구소(AIST) 나노시스
템연구부문 나노구조 액티브디바이스그룹 Wei Qing-Shuo(衛慶碩) 특별연구원, 무카 이다 마사카즈(向田雅一) 주임연구원, 이시 다 타카오(石田敬雄) 연구그룹 리더 등은, 박막 형성 프로세스를 최적화하고 나노결정 입자를 정렬함으로써 전도성고분자 PEDOT:
PSS 박막의 전기전도도를 향상, 0.27이라는 열전변환 소자의 무차원성능지수(ZT)를 얻 는 데 성공하여 실온에 있어 세계 최고 수준 의 열전변환 성능을 달성했다.
