단일원자에만 반응할 수 있는 촉매가 없을까?

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-26

최근에 중국과학원 대련화학물리연구소 Tao Zhang 연구팀은 미국 애리조나 주립대학교(Arizona State University) Jing-yue Liu 교수(대련물리화학연구소 "천인계획")와 협력하여 단일원자 촉매연구영역에서 새로운 성과를 얻었다. 이번의 협력연구는 처음으로 Pt/FeOx 단일원자 및 준단일원자(Quasi-single-atom) 촉매제로 불포화 치환기(Substituents)를 함유한 방향족 질소화합물(Aromatic nitro compounds)의 선택성 수소화반응(Selective Hydrogenation)에 사용되는데 안정한 반응조건(40도, 수소압력 0.3MPa)에서 매우 높은 활성과 선택성을 얻었다. 3-니트로스티렌(3-nitrostyrene) 선택성 수소화반응을 예로 들면, 이의 TOF값은 1,500 h-1 에 이를 때, 문헌이나 발표된 최적의 촉매제 활성보다 20배 높았고 아미노스티렌(aminostyrene)의 선택성은 99%에 달하여 기존에 발표된 Pt기 촉매제에서 가장 높은 값일 뿐만 아니라 촉매제는 자기성 분리가 가능하고 우수한 순환 안정성과 기질 적응성을 가지고 있다. 단일원자와 준단일원자의 우수한 촉매제 성능은 촉매제에서 고립된 정전하를 가진 Pt 활성위치의 역할에 의한 것이고 이러한 활성위치는 질소기를 가장 먼저 흡착할 뿐만 아니라 C=C의 수소화를 억제하는데에 유리하다. 이 연구성과는 최근에 <<자연교신(Nature Communications, 5, 5634, 2014)>>에 발표되었다. 여러 가지 치환기를 함유한 방향족 질소화합물의 선택성 수소화반응으로 대응되는 방향족 아민화합물(aromatic amines)을 제조하는 것은 정밀화공영역에서 가장 중요한 반응 중 하나로서 농약, 의약, 염료 및 고분자중합체 등 영역에서 매우 광범위한 응용을 가지고 있다. 그러나 반응물 분자에 C=C, C≡C 등 쉽게 환원할 수 있는 작용기가 포함될 때, 질소기를 선택적으로 환원시키지만 다른 작용기를 보류하는 것은 전통적인 전이금속 수소화 촉매제에 대해서는 현재 여전히 직면하고 있는 어려운 도전이다. 단일원자 및 준단일원자 촉매제는 이러한 문제를 해결하기 위해 일종의 친환경적이고 매우 효과적인 경로를 제공하였을 뿐만 아니라 또한 이 촉매제는 향후에 공업응용에 사용될 가능성이 있다. 단일원자 촉매제는 다상촉매제 영역에서의 새로운 개념으로서 분산된 원자의 균일 활성위치는 금속원자 이용률을 최대치에 이를 수 있도록 할 뿐만 아니라 다상 촉매제와 균일 촉매제 사이의 다리역할을 할 수도 있다. 2011년 Tao Zhang 연구팀은 처음으로 Pt/FeOx 단일원자 촉매제를 만들었고 Jing-yue Liu, Jun Li와 협력하여 “단일원자 촉매(Single-Atom Catalysis)”라는 새로운 개념(Nat. Chem. 2011, 3, 634)을 제기하였다. 최근 3년간, 단일원자 촉매는 신속하게 발전하였고 국제적으로도 많은 연구팀이 이에 대해 연구를 진행하였다. Tao Zhang 연구팀은 이 영역에서 새로운 성과를 얻었다. Iri/FeOx 단일원자 촉매제를 제조하여 얻었고 또한 수성가스 전환반응(water gas shift reaction)에도 응용(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 15314)하였다. 요청을 받고 또한 단일원자 촉매에 관한 종합서술 내용도 발표(Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1740)하였다. 이번의 연구성과는 단일원자 촉매제를 정밀화학품 합성영역에서의 응용에 성공시킨 사례이다. 이 연구는 (중국)국가자연과학기금과 중국과학원 중대돌파성우수항목선택프로그램 등의 지원을 받았다. 그림: 대련화학물리연구소 단일원자 촉매에 관한 연구에서 얻은 성과 원문: http://www.nature.com/ncomms/2014/141203/ncomms6634/full/ncomms6634.html single atom.jpg http://www.cas.cn/syky/201412/t20141223_4280355.shtml