나노탄소재료 촉매 위에 갑옷을 입힌 효과

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-19

원가가 낮고 저장량이 풍부한 비귀금속으로 희귀한 귀금속을 대체하여 촉매제로 사용하는데 있어서 중요한 에너지와 화학공정의 고효율 전환을 실현하는 것은 현재 촉매과학과 화학공업연구에서의 핫이슈이다. 최근에 중국과학원 대련화학물리연구소 촉매기초 국가중점실험실 De-hui Deng 부연구원과 중국과학원 원사인 Xin-he Bao가 이끌고 있는 연구팀은 나노탄소재료 촉매를 장기적으로 심도있게 연구한 기초에서 혁신 2차원 나노탄소재료[그래핀형(graphene like) 재료]의 제조책략과 합성방법을 통해 균일한 초박막 그래핀껍질(graphene shell, 일반적으로 1~3 탄소층)을 이용해 3차원 전이금속 나노입자에 대한 포장과 패키징을 성공적으로 실현하였다. 이론 모의시험 연구에 의하면 촉매반응 과정에서 활성 금속나노입자 촉매제는 나노탄소 빈속에서의 패키징은 가혹한 반응환경(예를 들면, 산성, 알칼리성과 강산화성 등)과의 직접적인 접촉을 차단하였고 촉매제의 활성 상실을 효과적으로 지연하였다. 그리고 피복된 나노금속의 활성 원자가전자는 그래핀형 탄소층의 상호작용을 통해 외부표면과 “관통(penetration)”하여 고효율 촉매반응을 실현하였다. 이 원리에 기반하여 제조한 그래핀 탄소층 패키징을 가진 나노 코발트-니켈 촉매제는 강산성 조건에서 물을 전기분해하여 수소를 제조하는 반응(HER)에 응용하여 우수한 촉매 활성과 안정성을 나타냈으며, 전류 밀도는 10mA/cm2인 조건에서 물전해(water electrolysis) 음극 과전위(overpotential)는 142mV에 불과하며 성능은 일반적으로 사용하고 있는 40%Pt/C 촉매제에 접근하였다. 이에 관련된 연구성과는 최근에 <<독일응용화학(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, DOI: 10.1002/anie.201409524)>>에 온라인으로 발표되었으며 이 저널에 의해 “Hot Paper”로 선정되었다. 그래핀형 탄소층이 활성금속 나노입자와 “관통” 전자촉매를 보호한다는 개념은 이 연구팀이 탄소나노관을 패키징하는 나노철을 전통적인 귀금속 백금을 대체하여 연료전지 촉매제로서 처음으로 제안(Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 371)하였고 관련된 원리는 국제 동종업종의 허가를 얻었으며 촉매제에 “갑옷”을 입혔다(Chainmail for catalyst)고 형상적으로 비유하였다. 최근 몇 년간, “갑옷” 촉매의 개념은 신속하게 응용되고 확장되었으며 이 개념에 대해 많은 과제팀이 계속 전기촉매, 광촉매, 전통적인 다상 촉매 등 체계에서 연구를 진행하였다. 이 개념을 제안한 연구팀으로서 Xin-he Bao 연구팀은 체계적이고 심도있는 연구를 진행하였고 이와 관련된 연구를 계속 선도하고 있다. 이 연구팀은 선후로 실험과 이론에서 그래핀 “갑옷” 두께가 비귀금속의 전자 “관통” 능력 및 산화환원 활성에 미치는 영향(J. Mater. Chem. A2013, 1, 14868)을 발견하고 검증하였다. 그리고 이 유형의 촉매제가 산성 조건에서 물을 전기분해하여 수소제조 반응을 촉매하는 메커니즘(Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1919)을 제안하였으며 다은 연구자와 협력하여 이 유형의 촉매제가 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell)의 대전극(counter electrode) 재료를 발견하였는데 이는 귀금속 Pt 보다 더욱 우수한 I3- 환원활성(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 7023)을 나타냈다. 이 연구는 (중국)국가자연과학기금위원회, 중국과학원 나노선도 전문프로젝트와 교육부 에너지재료 화학협동혁신센터(2011•iChEM)의 지원을 받았다. 그림: 대련화학물리연구소 나노탄소재료 촉매에 관련한 연구에서 성과를 취득 원문연결: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201409524/abstract;jsessionid=121EAC0B718013C64B33D557F1819F02.f02t01 graphene like.jpg http://www.cas.cn/syky/201501/t20150114_4299835.shtml