그린 수소 저장용 암모니아 저온 합성을 위한 고성능 헤테로더블원자 촉매 슈퍼컴퓨터 설계
양자역학 계산으로 전기화학적 질소 환원용 원자 단위 촉매 설계 가이드라인 제시
□ 국내 연구진이 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자역학 계산 기법을 활용, 촉매 활성 변화의 원인을 밝혀 촉매 설계의 가이드라인을 제시함과 동시에 이를 활용한 신촉매 물질을 발견하였다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 함형철 교수(인하대학교), 이관영 교수(고려대학교), 한종희 교수(한국에너지공과대학교) 연구팀이 양자역학 시뮬레이션을 통해 전기화학적 암모니아 합성을 위한 고성능‘헤테로더블원자’ 촉매 소재를 개발했다고 밝혔다.
※ 헤테로더블원자(Hetero double atom): 이종 2개의 단일금속원자로 구성된 촉매
◦ 이 이론적 발견은 기존의 하버-보슈(Haber-Bosch) 화학 공정을 대체하여 탄소 배출 없이 상온/상압에서의 암모니아 합성을 가능하게 한다.
※ 하버-보슈(Haber-Bosch) 화학 공정: 400~500oC의 고온, 150~300기압의 고압 조건에서 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 합성
□ 전기화학적 질소 환원을 통한 암모니아의 상온/상압 합성 공정은 촉매의 높은 과전압과 낮은 선택도 때문에 개발이 매우 어려웠다.
◦ 성공적인 촉매 개발에는 촉매 반응과 활성에 대한 원인 규명이 필수적인데, 실험적 접근은 직접 분석의 어려움 때문에 많은 시행착오가 동반되어 시간과 비용이 많이 드는 단점이 있다.
□ 이에 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 양자역학 계산을 통해 촉매 활성을 극대화할 수 있는 원자 수준의 촉매, 특히 서로 다른 2개의 원자가 쌍으로 존재하는 헤테로더블원자를 설계하였다.
◦ 실험적으로 분석이 힘든 헤테로더블원자 촉매 작용의 정량적인 이해를 통해, 암모니아 합성 촉매 활성에 미치는 원리를 규명하고 촉매의 성능을 예측할 수 있는 간단한 디스크립터 (descriptor)를 발견하여 촉매 탐색의 가이드라인을 제시하였다.
□ 가이드라인에 따라 금속 원자들의 조성 조합을 통해 촉매 후보 물질을 빠르게 탐색, 루세늄(Ru) 단원자 촉매에 비해 36% 향상된 활성을 보이며 암모니아 합성 효율이 증가된 루세늄-철(Ru-Fe), 루세늄-오스뮴(Ru-Os) 촉매를 도출하였다.
□ 함형철 교수는“양자역학 계산이 미지의 암모니아 합성 반응에 대한 원리 규명과 헤테로더블원자 촉매 개발 시간 단축에 중요한 역할을 한 것”이라며, “후속 연구를 통해 상용화가 가능한 수준까지 촉매의 성능을 끌어올릴 것”이라고 계획을 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’에 1월 11일 게재되었다.
