나노 도메인을 제한하여 촉매의 효과를 극대화하는 이론연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-09

최근 중국과학원 대련화학물리연구소 촉매기초 국가중점실험실 Jian-ping Xiao 연구원, Xiu-lian Pan 연구원과 중국과학원 Xin-he Bao 원사 등은 탄소 나노튜브(carbon nanotubes)에 기반한 나노 구속촉매(limiting domain catalysis, 限域催化) 이론 연구에서 새로운 성과를 얻었고 이에 관련된 결과는 최근에 출판된 <<미국화학회지(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 477−482)>>에 발표되었을 뿐만 아니라 주요(spotlight) 논문으로 선정(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1−1)되었다. 이 연구팀의 실험연구에 의하면, 굽혀진 그래핀 편으로 구성된 탄소 나노관 나노급 루멘(nano-lumen)은 이 내부에 조립된 금속 나노입자의 특성에 변화를 초래할 수 있을 뿐만 아니라 분자흡착 활성화 모델 심지어는 반응 경로를 변화시킬 수 있으며 따라서 촉매반응의 성능을 조정(PNAS 2013, 100, 14861; Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 317; Energy Environ. Sci. 2011, 4, 4500; J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 9414; Nat. Mater. 2007, 6, 507 등)할 수 있다는 것을 발견하였다. 이에 기초하여 연구자들은 탄소 나노관의 "협동구속촉매(combine limiting domain catalyst)"라는 새로운 개념을 처음으로 제기(ChemComm., 2008, 6271-6281、Acc. Chem. Res. 2011, 44, 553)하였다. 최근 이 연구팀은 밀도범함수이론(Density Functional Theory)을 이용하여 실험과 결합시켜 탄소 나노관의 구속효과가 보여준 일련의 전이금속(transition metal) Fe, FeCo, RhMn, Ru 등 전자구조 및 촉매성능의 조절작용에 대한 규칙과 본질을 연구하였고 제안된 구속에너지의 개념은 구속으로 촉매반응에 미치는 조절작용에 사용될 수 있다. 연구결과에 의하면, 독특한 전자구조를 가지고 있는 나노공간은 일종의 독특한 구속 미세환경을 형성하여 구속금속의 d갭 센터가 아래로 이동하였으며 CO, N2, O2 등 분자의 해리흡착을 약화시켰고 촉매반응의 화산형 곡선은 고결합에너지의 방향으로 이동하였으며 이동정도는 금속 유형과 탄소 나노관의 직경과 관계가 있었다. 이 연구결과는 실험에서 관찰된 구속효과가 구속금속에 미치는 산화환원성능, CO 수소화 반응, NH3 분해와 합성암모니아 등 반응에 미치는 서로 다른 조절규칙을 검증하였으며 향후 고효율 나노 촉매제의 디자인에 중요한 과학적 근거를 제공하였다. 이상의 연구는 (중국)국가자연과학기금위원회, 과학기술부와 중국과학원 선도프로젝트 등 관련된 프로젝트의 지원을 받았다. 그림: 대련화학물리연구소, 나노 구속촉매 이론연구에서의 새로운 성과를 취득 carbon nanotubes.jpg http://www.cas.cn/syky/201501/t20150130_4306932.shtml