"산소 반응, 원하는 대로 갈랐다"…KAIST, 흔한 원소로 촉매 새 길 열어

산소는 반응할 때 전자를 몇 개 주고받느냐에 따라 전혀 다른 물질로 변한다. 전자 두 개가 오가면 살균·표백에 쓰이는 과산화수소가, 네 개가 오가면 물이 된다. 연료전지의 효율도, 화학 공정에서 얻는 산물도 이 갈림길을 어느 쪽으로 트느냐에 달려 있다. 문제는 그 방향을 마음대로 정하기가 쉽지 않다는 데 있었다.

KAIST 화학과 황승준 교수 연구팀이 이 갈림길을 원하는 대로 조절하는 분자 시스템을 개발했다고 KAIST가 밝혔다. 주목할 대목은 그 일을 해낸 재료다. 값비싼 전이금속이 아니라, 반도체 소재로 익숙한 저마늄(Ge)을 썼다.

전이금속의 독무대였던 산소 반응

산소를 다루는 촉매는 지금까지 철·코발트·니켈 같은 전이금속을 중심에 두고 개발돼 왔다. 이들 금속은 전자를 여러 개 한꺼번에 주고받는 데 능해, 산소처럼 여러 전자가 오가는 반응을 이끄는 데 적합했기 때문이다.

반면 저마늄이 속한 '주족 원소'(원소 주기율표의 좌우 양끝에 자리한, 우리 주변에 흔한 원소들)는 이런 반응에 서툰 물질로 여겨졌다. 전자를 한 번에 하나씩만 주고받는 성질 탓에, 여러 전자가 동시에 움직여야 하는 산소 반응을 구현하기 어렵다는 것이 통념이었다.

리간드로 전자의 길을 깔다

연구팀은 저마늄에 '산화·환원 활성 리간드'를 붙였다. 리간드는 금속 원자에 결합해 그 성질을 바꾸는 분자로, 이번에 쓴 리간드는 전자를 저장했다가 필요할 때 내주는 일종의 전자 창고 역할을 한다. 저마늄 혼자서는 버거운 전자의 다중 이동을, 옆에서 리간드가 거들어 가능하게 만든 것이다.

연구팀은 저마늄이 전자 두 개를 잃은 중간 상태(2전자 산화 상태)의 물질을 실제로 분리해 분석하는 데 성공했다. 하나의 원자가 전자를 주는 일과 받는 일을 동시에 수행한다는 점을 눈으로 확인한 셈이다. 또 상온에서 빛을 쬐지 않고도 할로겐 원소를 떼어내는 반응을 실증해, 이 시스템이 실제 화학 반응을 이끌 수 있음을 보였다.

흔한 원소로 넓힌 촉매의 선택지

이번 성과의 핵심은 산소 반응 경로를 선택적으로 제어한 첫 주족 원소 사례라는 데 있다. 값비싸고 매장량이 한정된 전이금속 대신 흔한 원소로도 정밀한 촉매를 설계할 수 있는 길이 열린 것이다.

황승준 교수는 "이번 연구는 전이금속에 의존하던 촉매 반응을 저마늄과 같은 주족 원소로도 구현할 수 있음을 보여준 성과"라며 "배터리와 연료전지 성능 향상을 비롯해 친환경적이고 효율적인 화학공정을 구현하는 차세대 촉매 개발에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

다만 이번 연구는 반응 원리를 실험실 수준에서 규명한 단계로, 실제 배터리나 연료전지에 쓰이려면 효율과 내구성을 끌어올리는 후속 연구가 남아 있다. 연구팀은 높은 온도나 복잡한 공정 없이도 유용한 화학 원료를 생산하는 방향으로 연구를 이어갈 계획이다.

이번 연구에는 오진록 박사후연구원, 김성규 연구원, 최대의 석박사통합과정생이 참여했으며, 연구 결과는 국제학술지 '켐(Chem)'에 지난 6월 6일 온라인 게재됐다. 연구는 한국연구재단 기초연구실 지원사업과 학문후속세대 박사과정생 연구장려금 지원사업, 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.

자료: 한국과학기술원(KAIST) 황승준 교수 연구팀 (국제학술지 Chem 게재)