4전자 산화환원 활성 가능한 친환경 촉매 개발
- 인-리간드 산화환원 협동작용 구현 -
□ 국내 연구진이 일반적인 산화환원 반응의 가용 전자 수보다 2배 많은 4전자 산화환원 반응 촉매*를 개발했다.
* 촉매 : 자신은 변하지 않으면서 화학반응 속도를 더 빠르거나 느리게 조절하는 물질.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 황승준 교수(포항공과대학교) 연구팀이 주족원소*인 인(P)을 기반으로 한 촉매의 리간드** 협동 반응성을 통해 4전자 산화환원 촉매 시스템을 구현했다고 밝혔다.
* 주족원소 : 주기율표에서 수소를 제외하고 s-구역에 속하는 1족, 2족 원소들과 p-구역에 속하는 13~18족의 원소. 지구와 태양계를 포함한 우주에서 가장 풍부하게 존재함.
** 리간드 : 화합물의 중심금속 이온의 주위에 결합하고 있는 분자나 이온.
□ 화학반응에서의 가용 전자 수는 반응 메커니즘과 생성물을 좌우하는 중요한 요소이다. 전자 수가 많을수록 화합물을 만들기에 유용한데, 여기에는 반응을 매개할 수 있는 촉매가 꼭 필요하다.
○ 현재 널리 이용되고 있는 전이금속* 기반 촉매는 지각 내 매장량이 적고 독성이 있어, 양적으로 풍부한 원소를 기반으로 한 친환경적이면서도 안전한 촉매 개발이 필요한 실정이다.
* 전이금속 : 주기율표의 3족에서 12족까지 위치한 원소들. 촉매로 많이 사용되는 철, 구리, 금, 은, 백금, 니켈, 망간, 코발트, 아연, 카드뮴 등이 해당됨.
□ 연구팀은 전이금속 대신 매장량이 많고 친환경적인 주족원소 인(P)을 활용, ‘기하구조 변형’과 ‘인-리간드 산화환원 협동과정’ 등 두 가지 핵심 전략을 사용해 4전자 산화환원 반응을 구현했다.
○ 기존 연구에 따르면 주족원소 화합물의 경우 기하구조를 평면 형태로 바꾸면 원자간 상호작용 변화로 인해 전이금속과 유사한 반응성을 나타낼 수 있음이 밝혀진 바 있다.
○ 이에 연구팀은 먼저 기존의 2전자 산화환원 반응성 인 화합물의 기하구조를 평면화해 반응성을 높였다. 여기에 전자를 저장할 수 있는 산화환원 활성 리간드를 도입해 전자적 교류가 가능한 형태의 촉매를 설계함으로써, 추가적인 2전자를 리간드로부터 받아와 총 4전자 산화환원 반응을 구현해 낼 수 있었다.
□ 연구팀 설명에 따르면 현재까지 균일계 촉매* 시스템에서 단일 원소 중심의 4전자 산화환원 반응은 보고된 바가 거의 없다.
* 균일계 촉매 : 촉매가 반응물과 같은 상으로 존재하는 촉매(보통 액체).
○ 따라서 본 연구에서 구현한 4전자 산화환원 반응성에 대한 새로운 접근법은 기존에 정체되어 있던 주족원소 촉매에서의 다전자 산화환원 반응 연구에 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다.
□ 황승준 교수는 “4전자 산화환원 반응은 연료전지의 핵심 반응으로, 에너지 변환 촉매로의 활용 가능성도 기대할 수 있다”며, “후속 연구를 통해 구체적인 구조분석을 진행할 계획”이라고 말했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구(우수신진)사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)’에 4월 10일 온라인 게재되었다.
