뮌헨 공과대학(University of Munich)의 연구진은 화학적 반응 동안에 촉매 활성 부위의 원자 거동을 조사할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 스캐닝 터널링 현미경(scanning tunneling microscopy, STM)을 사용하는 이 방법은 최적의 촉매 설계를 통해서 반응 및 공정을 개선할 수 있을 것이다.
STM은 원자적으로 예리한 금속 탐침 또는 팁(tip)을 전도성 샘플에 가까이 함으로써 표면을 관찰하는 도구이다.
이번 연구진은 STM의 변형된 형태인 SNM(scanning noise microscopy)을 촉매의 원자 구조와 이것의 화학적 활성 사이의 연관성을 조사하는데 사용했다. 촉매 작용을 하는 반응 부위는 일정한 바이어스(bias) 하에서 더 높은 수준의 잡음을 생성한다. 이런 잡음은 활성 영역에서 수신된 터널링 전류를 토대로 분명해진다.
이번 연구에서는 SNM을 사용해서 경제적으로 중요한 수소 발생 및 산화 환원 반응 동안에 금속 및 팔라듐 표면의 촉매 활성 부위를 조사했고, 이론적 계산 결과와 정확히 일치한다는 것을 확인했다. 반응 중에 촉매의 원자 구조와 화학적 활성 사이에 관계성을 가지는 것으로 오랫동안에 의심되어 왔지만, 실험적으로 규명된 적이 없었는데, 이번 연구로 이것을 확인할 수 있었다.
1980년대에 개발된 STM은 전자적 및 지형적 구조를 작성하는데 새로운 혁신을 불러왔고, 화학적 상호 작용과 물리적 상호 작용을 이해하는데 필수적인 역할을 하고 있다. 이번 연구로 촉매 작용을 이해하는데도 매우 유용한 역할을 할 수 있을 것으로 사료된다.
촉매 작용은 비료에서부터 대체 에너지원인 수소의 제조까지 모든 화학 반응에 사용되고 있다. 이것에 대한 더 나은 이해는 보다 효과적인 반응을 이끌어서 더 청결하고 더 친환경적이며 에너지 소비가 적은 미래를 이끌어낼 수 있을 것이다.
이 연구결과는 저널 Nature에 “Direct instrumental identification of catalytically active surface sites” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nature23661).
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