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서울대 남기태 교수팀, 광합성 핵심원리 구현된 나노 촉매 개발 및 물 분해 반응기작 최초 규명

작성자 : 관리자|등록일 : 17.02.13|조회수 : 201번 읽음

서울대 남기태 교수팀, 광합성 핵심원리 구현된
나노 촉매 개발 및 물 분해 반응기작 최초 규명
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환경친화적이고 값싼 망간을 기반으로 만들어진 혁신적 나노 촉매 물질
- 향후 리튬 공기 배터리, 연료전지 등 전기화학 촉매 분야의 기술적 단초 제공


▲ 서울대 재료공학부 남기태 교수 연구팀: (왼쪽부터) 남기태 교수, 진경석 박사, 서홍민 연구원


자연계에 존재하는 광합성 원리를 인공 촉매에 구현한 연구 사례가 국내 연구진에 의해 최초로 규명됐다.
서울대 공대(학장 이건우)는 재료공학부 남기태 교수 연구팀(진경석 박사, 서홍민 연구원)이 자연계의 광합성 시스템을 모방한 새로운 망간 기반 촉매를 개발하고 그 핵심 작동원리를 규명했다고 13일 밝혔다.
이번 연구로 향후 수소생산 및 연료전지 분야에서 다방면으로 응용 연구가 펼쳐질 전망이다. 이와 함께 자연계 시스템이 보유하고 있는 뛰어난 물 분해 효율 및 작동원리를 인공촉매에 구현함으로써, 생체 촉매 모사기술의 진일보를 가져올 것으로 평가받고 있다.
연구팀은 “자연계 광계 2(Photosystem II)에는 물을 분해해 산소를 발생시키는 유무기 클러스터가 존재하는데, 식물이나 박테리아 등에 존재하는 칼슘망간 클러스터의 물 분해 효율은 기존의 귀금속 촉매에 비해 뛰어나다”며, “생체 촉매의 특성을 모방하고자 노력해왔지만, 낮은 안정성 등으로 아직까지 뚜렷한 성과가 나오지 못하는 가운데 이러한 난제를 해결하기 위해 이번 연구에 착안했다”고 연구 배경을 설명했다.
연구팀은 10nm 이하의 나노 망간 산화물의 표면에서 일어나는 독특한 전기화학적 특성에 주목해 이를 물 분해 반응에 적용했다. 그 결과 전기 화학적으로 물을 분해해 산소를 발생시키는 반응에서 매우 뛰어난 특성을 나타냈다.
또한 일본 RIKEN(이화학연구소) Ryuhei Nakamura 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 해당 연구진이 개발한 망간 촉매의 물 산화 반응 기작을 최초로 규명했다. 이를 통해 기존에 보고된 망간 촉매와는 완전히 다른 새로운 반응 기작이 존재한다는 것을 밝히고, 이것이 칼슘망간 클러스터의 핵심 원리와 유사함을 증명했다.
연구팀이 개발한 망간 산화물 나노 촉매는 기존에 연구된 망간 촉매군보다 물 분해 효율이 50 배 이상 뛰어나다. 더욱이 희소금속이 아닌 값싼 망간(2$/kg)으로만 이뤄져 있기에 가격 경쟁력 또한 매우 우수하다. 현재 상용화된 플라티늄(Pt) 촉매를 대체할 수 있는 주요 후보 물질로 각광받을 것으로 기대되는 이유다.
남 교수는 “이번에 개발한 나노 촉매 물질은 자연계 광합성 시스템의 핵심 원리가 가장 잘 구현된 인공촉매로서 환경친화적이며 값싼 망간을 기반으로 했다는 점에서 혁신적이다”라며, “나노에서 발현되는 독특한 물성을 규명함으로써 향후 수소 생산 뿐 아니라 리튬 공기 배터리, 연료전지 등 다양한 전기화학 촉매 분야에서 중요한 기술적 단초를 제공할 것”이라고 설명했다.
한편 남기태 교수 연구팀은 일본 RIKEN(이화학연구소) Ryuhei Nakamura 교수, 한국 기초과학지원 연구원의 김선희 박사, 포항 가속기 연구소의 김민규 박사로 구성됐다. 연구 성과는 화학분야 세계 최고 권위 학술지인 미국 화학학회지(Journal of the American Chemical Society)에 온라인으로 게재됐다. 
 


▲ 그림 1: 망간 산화물 나노 입자의 물 산화 반응 모식도 (왼쪽), 일반적인 망간 기반의 물 산화 촉매와 본 연구진이 개발한 망간 산화물의 물 산화 반응 기작 (오른쪽)

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