기초과학

34종 단일 원자 촉매 제조

발행일 : 2020 / 03 / 17

중국과학기술대학교 허페이(合肥)미세규모물질과학 국가연구센터 화학물리학부 쩡제(曾傑)/저우스밍(周仕明) 연구팀은 전기화학적 증착을 이용한 단일 원자 촉매 제조 보편적인 방법을 개발함과 아울러 해당 방법을 이용하여 34종 단일 원자 촉매를 제조함으로써 다양한 전이금속과 기질(Substrate)을 아우르는 단일 원자 촉매개발에 성공했다. 해당 성과는 “Nature Communications”에 게재됐다.

단일 원자 촉매는 최대의 원자 이용률 및 독특한 전자 구조를 보유하고 있기에 가수분해, 산소환원, 이산화탄소 수소화, 메탄 전환 등 화학반응에서 광범위한 관심사로 떠오르고 있다. 하지만 현재 단일 원자 촉매 합성 방법은 단일 원자 및 기질에 대한 요구가 높기에 어떠한 기질에서도 금속 단일 원자 촉매 제조는 불가능하다. 따라서 기질 및 금속에 대한 선택성이 없는 보편성 단일 원자 합성 방법은 주요한 의미를 갖고 있다.

연구팀은 전기화학적 3전극 시스템에서 전기화학적 증착을 수행함과 아울러 증착 조건이 단일 원자 형성에 미치는 영향 연구를 통해 금속의 담지량이 특정 한계보다 낮을 경우 단일 원자를 획득할 수 있고 특정 한계보다 높을 경우 금속 클러스터 또는 과립이 형성됨을 발견했다. 해당 변화는 액상에서 결정성장의 핵생성 과정과 유사하다. 동 방법의 보편성을 입증하기 위해 연구팀은 수산화코발트, 황화몰리브덴, 산화망간, 질소 도핑 탄소 등 기질에서 3d, 4d, 5d 금속에 적용되는 단일 원자 촉매를 성공적으로 획득함과 아울러 제조한 단일 원자 촉매에 대한 구조 특성을 연구했다. 결과, 음극 및 양극 증착으로 획득한 동일한 단일 원자 촉매는 다양한 전자구조를 보유하고 있음을 발견했다. 이는 해당 촉매의 다양한 촉매반응에서 응용에 가능성을 제공했다.

실험결과, 음극 증착으로 획득한 일부 촉매는 전기촉매 수소발생 반응에서 우수한 성능을 나타냄과 아울러 양극 증착으로 획득한 일부 촉매도 전기촉매 수소발생 반응에서 양호한 성능을 나타냈다. 전기화학적 테스트 결과, 해당 시스템은 1.39V의 전위로 10mA/cm2의 완전가수분해 전류밀도를 획득할 수 있어 염기성 전해질에서의 최저 전위 기록을 경신했다.

동 보편적인 방법은 단일 원자 촉매 분야에 새로운 활력을 부여했을 뿐만 아니라 향후 촉매 구조와 성능 사이의 관계를 체계적으로 연구하는데 새로운 아이디어를 제공했다.

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