기초과학

상해광원 XAFS스테이션 유저 촉매연구에서 획기적 진전

발행일 : 2011 / 12 / 26

상해광원 XAFS스테이션 유저의 최신 연구성과 2건이 국제 유명간행물「Angew.Chem.Int.Ed.」제50권/제43기에 최신 발표되었는데, 이번 기는 마침 독일 막스플랑크학회 Friz-Haber연구소 100주년 설립을 기념하는 특별간행물이어서 더욱 주목받고 있다.

퀴놀린(Quinoline)과 그 유도체는 중요한 헤테로 화합물로서 의약, 염료, 제초제, 살균제, 부식과 침식억제제 등 중요한 정밀화학제품의 생산에 광범위하게 응용되고 있다. 복단대학 화학학부의 차오융(曹勇)과제팀은 다양한 기능성의 산화티타늄을 담지한 나노 Ir촉매를 디자인해냈고, 온화한 조건에서 방향족 니트로화합물과 알코올을 원료로 고부가가치 퀴놀린 및 그 유도체를 효율적으로 단번(원스텝)에 합성하는데 성공했다.(그림1) 반응과정에 사용된 0.05wt% Ir-TiO2촉매제는 귀금속 함량이 매우 적어서 반응과정이 더욱 경제적이지만 촉매제의 특성을 구현하기 힘든 것이 단점이다. 차오융과제팀은 상해광원 XAFS스테이션과 협력을 강화하여 X레이 흡수 정밀구조 스펙트럼을 채집 분석하였고, 금속원자와 담체간의 강한 상호작용 및 금속원자 배위수 등 구조정보를 획득하였으며, 최종적으로 금속 Ir의 서브나노상태를 확정하여 반응의 활성을 인식하기 위한 기반을 다졌다. 이러한 인식은 서브나노귀금속을 멀티스텝(Multi-step) 유기 탠덤반응과 같은 복잡한 촉매과정의 사용을 위해 새로운 구상과 중요한 참고자료를 제공하였다.

북경대학 화학분자공정학원의 마딩(馬丁)과제팀과 막스플랑크협회 Fritz-Haber연구소의 수당성(蘇黨生)연구원은 공동으로 페로센(Ferrocene)분자를 산화시켜 정전하를 띤 오니엄(Onium) 이온을 얻었는데, 오니엄(Onium) 이온과 음전하를 띤 층상 탄소재료간의 정전기상호작용 및 π-π상호작용을 통해 보다 많은 오니엄(Onium) 이온이 그라핀베이스 층상 탄소재료의 층사이에 진입하기에, 철함량이 높은 기능성 층상 탄소재료를 획득할 수 있다. 이 재료를 간단히 열처리하면 core-shell이나 core-void-shell와 같은 각이한 모양의 산화철 나노입자 기능성 그라핀 탄소재료를 획득할 수 있다. 연구팀은 상해광원의 XAFS기술을 이용해 이러한 각이한 구조의 산화철/그라핀탄소재료에 대한 연구를 통해 산화철로부터 높은 촉매산화활성을 지닌 비정질구조를 관찰하였으며, 또한 크기나 모양은 열처리 온도조절을 통해 간단하게 제어가능하다. 이 재료는 촉매제로서 알코올화합물 촉매산화반응과정에 비교적 높은 촉매성능을 나타낸다.

상해광원X선 흡수스펙트럼 스페이션(BL14W)의 탁월한 성능은 궁극적으로 고품질 흡수스펙트럼데이터 채집을 위해 결정적인 보장이 되었으며 2가지 연구사업의 추진을 위해 중요한 역할을 하였다.