기계/재료

저가 고활성 단일원자 이리듐 촉매제 개발

발행일 : 2013 / 11 / 13

중국과학원 대련화학물리연구소의 장타오(張濤) 연구원이 이끄는 연구팀과 동 연구소 “천인계획(千人計劃)” 입선자 류징웨(刘景月) 연구원, 청화대학 리쥔(李雋) 교수 연구팀은 협력연구를 통해, 세계 최초로 산화철 담체 기반의 단일원자 이리튬(Ir) 촉매제를 개발하였다고 밝혔다. 이는 향후 저가의 고활성 지지형 촉매제를 개발하는데 기반을 마련하였다.

협력연구팀은 연구를 통해 서브나노, 나노이리듐촉매제와 비교하였을 때 단일원자 이리듐 촉매효율이 훨씬 높기 때문에 촉매과정에서 명실상부한 촉매역할의 “주역”을 담당하고 있음을 발견하였다. 이 성과는 최근 「JACS」에 발표되었다.

미국의 언론매체 Ars Technica는 2013년 11월 5일에 연구성과에 대해 다음과 같이 평가하였다. “우리가 단일원자 촉매제에 대하여 촉매작용의 이해가 매우 부족했음을 설명해준다. 총 함량에서 불과 25%를 차지하는 단일금속이 75%의 촉매작용을 한다는 것이 기존의 전통 촉매반응과정에 대해서는 전혀 새로운 인식이 아닐 수 없다.”고 보도했다.

장타오 연구팀은 다년간 로켓 추진제 하이드라진(hydrazine)의 분해에 대한 연구에 주력해왔다. 하이드라진 촉매분해는 주로 우주 비행체의 자세제어 등에 응용되는데, 기존 사용중인 이리듐베이스 촉매제는 이리듐 적재량이 크고 입자 사이즈(>2nm)가 큰 편이다. 따라서 이리듐의 원자이용 효율을 높이는 것은 촉매제 제조의 핵심문제이다.

단일원자 촉매는 멀티상 촉매분야의 새로운 개념으로 알려져 있다. 2011년 장타오 연구팀과 협력기관은 협력연구를 통해 단일원자 백금(Pt) 촉매제를 개발하였고, 뛰어난 촉매성능을 발견함과 동시에 세계 최초로 “단일원자 촉매”개념을 제출하여 단일원자 촉매연구의 전 세계적인 붐을 일으켰다.

그 후 연구팀은 산화철 담체의 고안정성 백금단일원자의 연구성과를 기초로, 연구범위를 금속 이리듐 체계로 확장시켰고 단일원자 이리듐 촉매제 획득에 성공하였다.

획득한 이리듐 촉매제를 물-가스 전환반응에 응용한 결과, 이리듐 단일원자가 물-가스 전환반응의 가장 중요한 활성부위일 뿐만 아니라 비교적 높은 온도에서 안정적으로 존재한다는 것을 입증하였다.

단일 원자 촉매제의 성공적인 제조는 원자차원의 복잡한 촉매반응과정에 유리할 뿐만 아니라 귀금속 촉매제에 의존했던 분야, 예를 들면 연료전지, 석유화공, 정밀화학제품 생산 및 자동차배가스정화 등의 실제응용과정에도 중요한 의의를 지닌다. 이러한 신개념의 촉매가 출시되어, 과학자들이 향후 저가 고활성 지지형 촉매제 개발에 더욱 활발히 참여할 것으로 전망된다.