우리 연구진이 산소 반응 중 전자 이동 경로를 선택적으로 제어할 수 있는 새로운 분자 시스템을 개발했다. 이는 배터리와 연료전지, 친환경 화학 공정 성능을 높이는데 주요 역할을 할 전망이다.
한국과학기술원(KAIST·총장 배충식)은 황승준 화학과 교수팀이 산소 반응을 원하는 방향으로 조절하는 새로운 분자 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다.
산소는 반응시 전자가 2개 이동하는지, 4개 이동하는지에 따라 도출 물질과 반응 결과가 다르다. 예컨데 2전자 반응에서는 과산화수소가, 4전자 반응에서는 물이 생성된다. 필요 목적에 따라 전자 반응을 제어하는 기술은 배터리와 연료전지, 친환경 촉매 개발 핵심 과제다.
이번 연구는 철, 코발트, 니켈 등 여러 전자를 자유롭게 주고받을 수 있는 전이금속 외에, 저마늄과 같은 주족 원소(전이금속 외 대표 원소)에서도 2전자·4전자 반응을 구현할 수 있음을 처음으로 보안 성과다.
연구팀은 저마늄과 전자를 저장·전달하는 분자구조인 '산화·환원 활성 리간드(전자를 저장·전달하는 분자 구조)'를 결합해 하나의 분자 시스템 안에서 2전자 반응과 4전자 반응을 선택적으로 유도할 수 있음을 입증했다. 전이금속에 의존하던 촉매를 다양한 원소를 활용해 설계할 수 있는 가능성을 제시한 것이다.
이번 기술의 실제 활용 가능성도 확인했다. 개발한 저마늄 복합체를 기반으로 의약품·플라스틱 등 다양한 화학제품 원료인 '알켄'을 만들 수 있음을 입증했다. 고온이나 복잡한 공정 없이도 유용한 화학 원료를 보다 친환경적이고 에너지 효율이 높은 방식으로 생산할 수 있다.
황승준 교수는 “이번 연구는 전이금속에 의존하던 촉매 반응을 저마늄과 같은 주족 원소로도 구현할 수 있음을 보여준 성과”라며 “앞으로 배터리와 연료전지의 성능을 높이는 것은 물론, 보다 친환경적이고 효율적인 화학공정을 구현하는 차세대 촉매 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 김성규·오진록 KAIST 화학과 박사후연구원, 최대의 포스텍 화학과 석·박사통합과정생이 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 켐(Chem)에 지난 6일 온라인 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
