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2019-12 16

[학술][이달의 연구자] 김종호 교수, 다기능성 나노 촉매 개발로 환경문제 해결의 길 열다

김종호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 다기능성 나노 촉매 PdO@WO₃(PdO on WO₃)와 해당 물질의 합성법을 개발했다. 기존 학계에 보고된 사례가 없는 PdO@WO₃는 광촉매뿐만 아니라 전기화학 촉매의 역할도 효과적으로 수행한다. ▲김종호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 광촉매/전기화학 촉매 기능을 하는 PdO@WO₃ 합성법과 해당 소재를 개발했다. 김 교수가 개발한 PdO@WO₃은 촉매 특성을 가진 PdO 나노 클러스터를 얇은 산화텅스텐(WO₃) 반도체 막에 도입한 형태다. 이렇게 개발한 나노소재는 빛에너지를 화학에너지로 변환시키는 광촉매 역할을 수행하며 탄소-탄소 결합반응을 효과적으로 촉진한다. 해당 소재는 음극 반응 중 하나인 산소 환원 반응을 활성화하는 전기화학 촉매 기능도 가지고 있다. PdO@WO₃는 여러 분야의 환경문제를 해결할 것으로 전망된다. 항암제를 비롯한 의약품을 만들 때 탄소-탄소 결합(두 벤젠 고리의 연결 등)이 필수적이다. 이때 팔라듐(Pd)의 광촉매 작용이 필요하다. 기존 방식은 용액에 팔라듐을 균일 혼합물로 섞어 화학반응을 유도하기 때문에 회수가 거의 불가능했다. 반면 김 교수가 개발한 소재를 이용할 경우 불균일 혼합물이 돼 온전한 회수가 가능하다. 회수된 나노 소재는 여러 번 재사용해도 촉매 활성을 유지했다. 팔라듐은 금보다 비싼 희귀광물 중 하나로, 나노 소재의 재사용 가능성이 의약품 단가를 크게 낮출 것으로 기대된다. 광물 채굴은 환경파괴의 한 종류로 팔라듐 소재의 재사용은 환경문제도 해소한다. 현재 전기 자동차에 사용되는 리튬이온 전지는 낮은 효율과 폭발 위험성을 가지고 있다. 이 때문에 차세대 배터리로 금속-공기 전지가 각광받고 있다. PdO@WO₃를 음극 전기화학 촉매로 사용해 만든 아연-공기 전지는 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 높고 폭발성은 없다. 해당 기술이 상용화된다면 내연 기관 자동차를 대체할 전기차 개발이 수월해질 것으로 기대된다. ▲a)PdO@WO₃ 나노 소재를 광촉매로 사용해 진행된 탄소-탄소 결합반응에 대한 모식도. b) PdO@ WO₃ 나노 소재를 전기화학촉매로 이용해 진행된 산소 환원 반응(ORR) 결과. (김종호 교수 제공) 이번 연구(논문명 'Ultrathin WO3 Nanosheets Converted from Metallic WS2 Sheets by Spontaneous Formation and Deposition of PdO Nanoclusters for Visible Light-Driven C-C Coupling Reactions')는 실험 실패를 통한 발견으로 이뤄졌다. 김 교수는 본래 도체성 WS₂ nano sheet로부터 반도체성 WS₂ nano sheet를 만드는 실험을 진행했지만, 의도와 다른 물질인 WO₃가 계속 생성됐다. 그는 해당 물질을 분석하고 여러 실험을 이어간 결과 다기능성 소재인 PdO@WO₃를 발견했다. 이후 김 교수는 합성 원리를 규명하고 촉매 소재로 응용해냈다. 김 교수는 “실패라고 생각했던 결과로부터 새로운 과학적 사실을 발견했다”며 “우리 학생들도 실패를 두려워하는 대신 그 속에서 새로운 배움을 발견하길 바란다”고 전했다. 이번 연구는 원래 의도한 실험의 실패로 1년, PdO@WO₃의 분석과 규명으로 2년이라는 긴 시간이 소요됐다. 김 교수의 연구실(클릭 시 이동)은 지속 가능하고 친환경적인 나노 촉매 소재 개발을 진행해오고 있다. 김 교수는 이번 연구를 통해 '다기능성 PdO@WO₃ 합성법 및 광촉매/전기화학촉매 응용 기술'에 대한 원천 특허를 확보했고 광촉매 연구를 학술지에 발표했다. 김 교수는 PdO@WO₃를 금속-공기 전지에 응용한 연구 결과를 국제 학술지에 투고할 예정이다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

2019-06 04

[교수][이달의 연구자] 송태섭 교수, 새로운 금속-준금속 촉매 소재를 개발하다

수소는 미래 산업으로 주목받는 무공해 에너지원이다. 정부가 지난 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표하면서 수소경제에 대한 관심이 높아지고 있다. 수소경제를 활성화하기 위해선 수소의 생산 단가를 낮추는 기술이 필요하다. 송태섭 에너지공학과 교수는 높은 효율, 낮은 비용과 강한 내구성을 띤 촉매 소재를 개발했다. 수전해 기술은 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생성하는 기술로 ‘촉매’가 필요하다. 촉매 소재는 전이 금속을 기반으로 한 금속-준금속(Metal-Metalloid) 소재로 이에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 그중 삼중, 사중의 원소를 포함하는 금속-준금속 소재의 개발은 전이 금속의 다양한 전자 준위를 이용하기 위해 계속 시도되고 있다. 기존 기술로 안정적인 화합물을 형성하는 데 한계가 있었다. 전이 금속 기반의 금속-준금속소재 단독으로는 메탈 원소의 용해 현상 등으로 인해 전해액 내에서 안정적이지 않기 때문이다. 송태섭 에너지공학과 교수는 원자층 증착(ALD, Atomic layer deposition) 기술을 이용해 문제를 해결했다. “삼중 원소를 포함하는 빈 구조의 금속-준금속 소재에 화학적으로 안정적인 사중 원소를 포함하는 바나듐이 도핑된 코발트 니켈 붕화물(VCNB, Vanadium-doped cobalt nickel boride)를 합성하는 데 성공했습니다.” ▲원자층 증착 공법을 통해 만든 바나듐이 도핑된 코발트 니켈 붕화물(VCNB, Vanadium-doped cobalt nickel boride)의 모습이다. (송태섭 교수 제공) 이번 연구는 국내 및 해외 우수 연구진이 함께 진행했다. 송태섭 교수는 “한양대학교, 한국생산기술연구원, 서울여자대학교에서 촉매 소재 합성과 정밀한 전기화학 특성 분석 등을 진행했고 한국과학기술연구원(KIST)과 독일 쾰른대학은 시뮬레이션 실험 등을 담당했다”고 말했다. ▲송 교수의 논문 'Electronically Double-Layered Metal Boride Hollow Nanoprism as an Excellent and Robust Water Oxidation Electrocatalysts'은 이론으로 시작해 1년 6개월 동안 분석 및 증명을 마쳤다. 이 연구는 에너지 분야의 세계적인 저명 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 게재됐다. 송태섭 교수가 개발한 촉매 기술은 전해액 내에서 안정적일 뿐 아니라 효율이 높고, 단가가 저렴해 수소 에너지 산업의 생태계 구축 및 활성화에 기여할 수 있다. 송 교수는 “지속 가능한 청정에너지가 확대될 수 있도록 기술적 연구를 심도 있게 진행하겠다”며 “차세대 에너지인 수소 생산과 관련된 촉매 기술이 앞으로 미래 에너지 산업을 선도할 핵심 기술인 만큼 세계 최고 수준에 도달할 수 있도록 심혈을 기울이겠다”고 말했다. 글/ 정민주 기자 audentia1003@hanyang.ac.kr 사진/ 박근형 기자 awesome2319@hanyang.ac.kr

2015-03 25

[학술][이달의 연구자] 은 촉매로 화합물 합성의 효율을 높이다

촉매의 경제성과 접근성 두 마리 토끼를 잡다 촉매란 본 성질을 유지하면서 화학 반응의 속도를 증가 또는 감소시키는 물질을 뜻한다. 어떤 성질의 촉매를 적용하느냐에 따라 화학 반응은 비용과 시간이 많이 소요될 수도 있고, 또는 높은 효율을 보이며 안정된 결과를 도출해 내기도 한다. 우리 생활에 유의미한 화학 합성물일지라도 활발한 합성법 개발이 이루어져야 실제 활용될 수 있는 만큼, 화학에서 촉매는 빠져서는 안될 역할을 맡고 있다. 특히 탄소 화합물을 연구하는 유기화학 분야에서 촉매는 빠른 시간 안에 일관된 반응으로 화합물을 합성하는 중요한 요소다. 우리대학 유기화학 전공 윤소원 교수(자연대·화학)는 Ag(I)염, 즉 은 촉매(Ag2CO3)를 이용한 인돌 화합물의 효율적 합성법을 개발하며 3월 이달의 연구자로 선정됐다. 윤 교수의 이번 연구는 'Silver(I)-Mediated C-H Amination of 2-Alkenylanilines: Unique Solvent-Dependent Migratory Aptitude'라는 제목의 논문으로 쓰여 학술지 Advanced Synthesis & Catalysis의 2015년 1월호에 게재됐다. 해당 지는 유기화학 분야 가운데 최고 저명 학술지로 알려져 있다. 인돌 화합물과 은 촉매를 이용한 고효율 합성법 그렇다면 인돌 화합물이란 무엇이며, 은 촉매는 어떻게 화합물 합성의 효율성을 높인 것일까. 인돌 화합물은 생리기능을 조절하는 천연물에 존재하는 헤테로 고리 구조(유기화합물 중 탄소 이외에 질소나 산소 등의 원자로 형성된 고리 구조)를 띄고 있으며, 생물학, 의약학 등에서 쓰일 뿐만 아니라 재료과학, 전자 등의 공학 분야에까지 폭넓게 쓰이고 있는 물질이다. 산업 분야에서 중요하게 다뤄지는 화합물이기 때문에, 유기화학 분야에서는 보다 더 효율적인 인돌 구조 합성법을 디자인하고 이것을 실제로 만들어 내는 것이 중요한 과제다. 합성법을 고안하는 과정에서 첫째로는 효율성이 중요히 여겨지며, 최근에는 환경적인 요인도 함께 고려된다. 윤 교수가 발견한 은 촉매는 기존 물질들에 비해 효율성과 환경 측면에서 모두 우수하다. 화학 분야에서 고효율은 반응성이 높고 원하는 생성물만 얻어지는 것을 의미한다. 그리고 친환경적 반응이 되기 위해서는 촉매가 불필요한 부산물을 발생시키지 않고, 반응이 이루어지는 데 최소한의 단계들이 동원되어야 한다. 인돌화합물 합성에서 은 촉매를 이용한 반응은 기존 반응들에 비해 반응시간이 짧다. 즉, 효율성이 높다. 윤 교수의 은 촉매는 화합물 합성에 하루 이상 걸리던 반응 시간을 30분 이내로 단축시켰다. 이뿐만 아니라 사용했던 Ag(I)염은 재활용이 가능하기 때문에 비용이 덜 들고 환경친화적이다. 일반적으로 촉매를 회수해서 재사용할 때, 타 경우에는 재활용을 반복할수록 촉매로서의 기능이 떨어지는 데 비해 이번에 사용했던 Ag(I)염은 그렇지 않았다. 또한 화합 과정에서 반응성을 높이기 위한 은 촉매 이외에 별도의 다른 작용기나 반응 과정이 필요없기 때문에 부산물이 발생하지 않는다. 인돌 화합물은 특히 활용빈도가 높다는 점에서 촉매로 쓰이는 물질의 가격도 중요하다. 기존의 금, 백금, 로듐 등과 같이 금속을 이용한 촉매반응은 비용이 많이 들기 때문에 보편적으로 쓰이기 어려웠다. 그러나 은 촉매는 타 금속에 비해 상대적으로 저렴하다. 은에 해당하는 Ag(I) 염 시약의 가격은 매우 저렴한 편에 속한다. 윤 교수의 인돌 화합물 합성법은 기존에 알려지지 않은 새로운 반응 메커니즘(전자의 움직임을 표시해 화합물을 생성하기까지의 과정과 반응의 특성을 나타낸 것)을 제시한 점에서도 그 의미가 있다. 뿐만 아니라 반응 조건을 조절해 다른 치환 형태의 인돌 구조 화합물을 만들어낼 수 있기 때문에 학계의 주목을 받고 있다. 화합물을 만들 때는 분자 구조에 존재하는 결합과 화학적 성질을 고려해야 한다. 화합물의 분자 구조에 존재하는 여러 결합 가운데 어느 것을 만드는지에 따라 화합물의 합성법이 결정된다. 같은 화학 구조일지라도 결합방식에 따라 합성법이 다르기 때문에 촉매가 반응하는 과정과 추진력도 달라진다. 인돌 화합물의 화학식은 C8H7N으로 탄소와 수소, 질소가 여러가지 결합을 이루고 있다. 은 촉매는 그 중에서도 1번 질소와 2번 탄소 자리의 결합을 형성해 인돌 구조를 만들어 낸다. 탄소와 질소의 결합을 이용한 인돌구조 합성법은 Ag(I) 염만 사용하는 간단한 실험과정이기 때문에 고등학생 수준에서도 쉽게 인돌 화합물을 만들 수 있다. 그래서 은 촉매 합성이 일관되고 안정적인 결과를 도출해 내기에 용이하다. 유기화학, 윤택한 삶을 만드는 초석이 되기를 유기화학은 이론뿐만 아니라 실제 실험에서도 안정적인 결과를 도출해야 하는 학문이다. 같은 실험도 수백 번 반복해서 재연성을 확인해야 하는 것이 유기화학이다. 누가 실험하든 비슷한 결과를 도출할 수 있도록 하는 것이다. 유기화학이란 어떤 학문인지에 대한 질문에 윤 교수는 "사소한 실험환경이나 연구자에 따라 서로 다른 결과가 나오기도 하기 때문에 단기간의 실험으로 성과를 거두기 어려운 공부"라고 말했다. 하나의 반응을 개발하는 데 그치지 않고 더 나아가 저렴한 촉매는 없을지, 문제점을 보이는 화합물이 있으면 어떻게 개선할지 고민하며 진행된 연구는 결코 쉽지 않은 여정이었다. 연구의 시작이 된 계기는 무엇이었으며, 그 목표는 무엇이었을까. 윤 교수는 다음과 같이 답했다. "촉매로는 반응성이 좋은 금속이 많이 쓰입니다. 그러나 기존의 인돌화합물 합성법에는 여러가지 제한성과 문제점이 존재해 왔습니다. 예를 들어 반응물의 구조 및 합성된 인돌 구조의 제한성, 낮은 수율, 부산물 생성, 값비싼 귀금속의 사용 필요 등등. 그래서 기존의 방법을 대신할 고효율 합성법을 연구했습니다. 그리고 이렇게 만들어진 인돌 화합물이 기초가 되어 의약품과 공학 분야에 두루 쓰이듯이 화학은 우리 생활을 윤택하게 하는 도구라고 생각해요. 화학이 우리생활과 아주 밀접한 학문인 만큼, 우리 생활을 더욱 편리하게 만드는 방법을 제공하는 것이 저의 꿈입니다." 은 촉매를 이용해 기존 합성법을 개선하기까지의 여정은 쉽지 않았다. 특히 윤 교수는 유기화학이 끈기와 인내를 요구하는 학문이라고 설명했다. "유기화학 연구는 성과를 내는 데 비교적 많은 시간을 들여야 합니다. 유기화학 분야는 논문이 나오는 데 짧아도 6개월, 길게는 4년에 가까운 시간이 걸려요. 이번 연구도 논문을 완성하기까지 1년 정도의 시간이 필요했습니다. 최적의 촉매를 찾기까지 팔라듐, 금, 백금 루테늄, 로듐 등 주기율표에서 볼 수 있는 금속이라면 거의 다 실험해 봤어요. 해당 물질이 일관된 반응성을 보이는지 그 재연성을 확인하기 위해서 수백 번에 가까운 검증을 거쳤는데, 연구에 참여한 사람들 모두에게 힘들었던 과정이었습니다. 연구에 참여한 석·박사과정의 학생들도 밤 늦게까지 실험에 매진해야 했고요." 고등학생 때부터 화학에 흥미가 많았던 윤 교수는 유기화학 분야 중에서도 반응 개발을 연구하고 있다. 은 염과 같은 금속촉매뿐만 아니라 유기촉매에 대한 연구도 함께 진행중이다. "촉매로는 반응성이 좋은 금속이 많이 쓰여왔어요. 그러나 금속은 불순물이 조금이라도 섞이면 독성을 갖게 돼요. 의약품에도 활용되는 인돌 화합물의 경우 부작용이 치명적일 수 있어요. 그래서 금속을 대신할 유기촉매에 대한 고민을 하며 화합물의 합성법을 연구했습니다." 화학분야에서는 매일같이 새로운 연구결과들이 쏟아져 나온다. 해당 분야의 새로운 결과들을 지속적으로 공부하고 생각하고 시도하는 열정에서 윤 교수의 이번 연구는 결실을 거두었다. 뭐든지 열심히 하는 사람은 이길 수 없다는 윤 교수의 말처럼 끈기는 은 촉매를 이용한 연구에서 중요한 역할을 했다. 윤 교수는 어떤 전공을 가진 사람이든 끈기와 지속적인 노력이 필요하다고 말했다. 꿈과 노력 두 가지가 균형을 이루며 모두가 각자 원하는 일을 이루는 촉매가 돼주길 바라본다. 김유나 기자 caecilgreen@hanyang.ac.kr 이 기자의 다른 기사 보기 사진/조유미 기자 lovelym2@hanyang.ac.kr