【브레이크뉴스 포항】박희경 기자=POSTECH(포항공과대학교)은 화학과이인수 교수 · Amit Kumar(아밋 쿠마르) 연구교수 · 박사과정 Anubhab Acharya(아눕합 아차르야) 씨 연구팀이 최근 빛으로 다공성 유기층을 금속 촉매에 증착해 효율성과 선택성 모두 높인 연구 결과를 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 지에 게재했다고 4일 밝혔다.

▲ 기공을 갖는 공유결합성 유기층-금속 계면에서 알카인의 준(semi) 수소화 반응 선택성이 조절되는 메커니즘 모식도  © 포스텍

POSTECH에 따르면금속 촉매는 화합물 합성과 수소 생산, 연료전지 등 여러 분야에서 광범위하게 활용된다. 촉매 표면에는 화학 반응이 잘 일어나는 활성 부위가 있는데, 반응 중 생성된 중간체나 부산물이 의도치 않게 이를 막는 경우가 많다. 그로 인해 반응에 참여하는 분자의 흡 · 탈착 조절이 어려워 촉매 활성과 효율이 떨어졌다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘빛’을 이용한 전략을 세웠다. 금속의 전자와 빛의 상호작용인 플라즈모닉 현상을 이용하면 전자 활성도를 높일 수 있다. 연구팀은 먼저 플라즈모닉 특성을 가진 금(Au) 나노 입자 표면의 전자를 빛으로 활성화했다. 그리고, 수 나노미터(nm) 두께를 지니는 팔라듐(Pd) 촉매 박막과 다공성 유기층(이하 pCOL, porous Covalent Organic OverLayer) 박막을 연속적으로 표면에 증착했다.

pCOL의 다공성 구조는 촉매 표면에 불순물이 흡착되는 것을 막고, 반응에 필요한 분자들이 쉽게 흡 · 탈착할 수 있는 환경을 만들었다. 연구팀은 pCOL이 증착된 금속 촉매로 반응 효율과 선택성 모두 높이는 데 성공했으며, 이 촉매는 여러 번 반복해서 사용한 후에도 우수한 성능을 유지했다.

또, 연구팀은 이 촉매를 활용해 삼중결합이 있는 알킨(alkyne)에 수소를 첨가하는 기존 수소화(hydrogenation) 공정의 한계도 극복했다. 기존에는 반응 선택성을 제어하기 어려워 알킨이 수소와 과도하게 많이 결합했는데, pCOL이 증착된 촉매로 알킨과 결합하는 수소의 양을 효율적으로 조절할 수 있게 된 것이다.

이인수 교수는 ”촉매의 효율과 반응 선택성은 서로 상충되는 특성인데, 이번 연구를 통해 이 둘을 동시에 향상시켰다“며, ”금속과 유기물이 결합된 첨단 하이브리드 나노 촉매가 미세 화학 합성과 광(光)촉매, 에너지 저장 등 여러 분야에서 큰 성과를 낼 수 있을 것“이라는 기대를 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업의 지원으로 진행됐다. 

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

POSTECH Professor Insoo Lee's team developed a metal catalyst by depositing a porous organic layer on nanoparticles.

At POSTECH (Pohang University of Science and Technology), the research team of Professor Insoo Lee of the Department of Chemistry, Research Professor Amit Kumar, and Doctorate Candidate Anubhab Acharya recently increased both efficiency and selectivity by depositing a porous organic layer on a metal catalyst using light. It was announced on the 4th that the research results were published in the international academic journal 'Nature Communications'.

According to POSTECH, metal catalysts are widely used in many fields, including compound synthesis, hydrogen production, and fuel cells. There are active sites on the surface of the catalyst where chemical reactions easily occur, but intermediates or by-products generated during the reaction often unintentionally block these sites. As a result, it was difficult to control the adsorption and desorption of molecules participating in the reaction, reducing catalytic activity and efficiency.

  To solve this problem, the research team established a strategy using ‘light’. Electronic activity can be increased by using the plasmonic phenomenon, which is the interaction between metal electrons and light. The research team first activated electrons on the surface of gold (Au) nanoparticles with plasmonic properties with light. Then, a palladium (Pd) catalyst thin film and a porous Covalent Organic OverLayer (pCOL) thin film with a thickness of several nanometers (nm) were successively deposited on the surface.

  The porous structure of pCOL prevents impurities from being adsorbed on the catalyst surface and creates an environment where the molecules necessary for the reaction can be easily absorbed and desorbed. The research team succeeded in increasing both reaction efficiency and selectivity with a metal catalyst on which pCOL was deposited, and this catalyst maintained excellent performance even after repeated use.

  In addition, the research team used this catalyst to overcome the limitations of the existing hydrogenation process, which adds hydrogen to an alkyne with a triple bond. Previously, it was difficult to control the reaction selectivity, so alkyne combined with too much hydrogen, but with the pCOL-deposited catalyst, the amount of hydrogen combined with alkyne can be efficiently controlled.

  Professor Insoo Lee said, “The efficiency and reaction selectivity of a catalyst are conflicting characteristics, and through this research, we have improved both at the same time.” He added, “A cutting-edge hybrid nanocatalyst combining metal and organic materials can be used for microchemical synthesis and light. “We will be able to achieve great results in various fields such as catalysts and energy storage,” he said.

  Meanwhile, this study was conducted with support from the National Research Foundation of Korea's Leader Researcher Support Project.