서울공대 재료공학부 한정우 교수팀, 온실가스 분해 성능 최대 14배 높인 ‘나노메이스’ 촉매 개발
- 세계 최초로 세리아 나노큐브·나노로드 화학적으로 결합한 촉매 구조 제시
- 수소 생산, 온실가스 저감, 배기가스 정화 기술에 활용 전망
- 국제 저명 학술지 Nature Communications 논문 게재


▲ (왼쪽부터) 정석현 서울대학교 재료공학부 박사후 연구원, 김윤경 서울대학교 재료공학부 박사과정생, 장명곤 박사(전 서울대학교 박사후 연구원, 현 삼성전자), 한정우 서울대학교 재료공학부 교수

서울대학교 공과대학은 재료공학부 한정우 교수 연구팀이 기존의 상용 촉매에 비해 온실가스 분해 성능이 최대 14.4배 향상된 새로운 나노 구조의 촉매를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 세리아(CeO₂) 나노큐브(정육면체)와 나노로드(막대)를 화학적으로 이어 붙여 '나노메이스(nanomace)'라는 새로운 나노구조체로 합성하고, 두 결정이 만나는 경계가 촉매 반응이 가장 활발하게 일어나는 핵심 활성 부위임을 밝혀냈다.

나노메이스 촉매는 촉매 성능을 높이기 위해 사용되는 고가의 귀금속 사용량을 줄이면서도, 자동차 배기가스 정화와 공장 매연 저감, 온실가스 제거는 물론이고 청정 수소 생산에까지 폭넓게 활용될 수 있다. 따라서 향후 친환경 에너지·환경 기술의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 세계적 권위의 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다. 특히 저널의 편집부가 촉매 분야의 우수 연구를 선별해 소개하는 ‘편집자 하이라이트 촉매(Catalysis) 포커스'에 선정돼 많은 주목을 받았다.

■ 연구 배경

최근 유럽을 강타한 기록적인 폭염과 같이, 해마다 심화되는 이상기후의 주범으로 온실가스가 지목된다. 자동차 배기가스와 공장 매연 속 유해가스, 온실가스를 분해하는 촉매 기술은 이러한 위기에 대응할 핵심 친환경 기술로 꼽힌다.

이러한 촉매 기술에서 핵심 소재로 활용되는 것이 바로 ’세리아(CeO₂)‘다. 산소를 저장했다가 필요할 때 방출하는 능력이 뛰어나 촉매 분야에서 '산소 탱크'로 불리는 금속 산화물이다. 세리아는 자동차 배기가스 정화, 온실가스 저감, 수소 생산 등 다양한 산화환원 반응에서 값비싼 귀금속 촉매를 대체·보완하는 핵심 소재로 활용되고 있다.

기존에는 나노큐브(정육면체)나 나노로드(막대) 등 단일 형태의 세리아만 활용됐으며, 그 중에서도 막대 형태인 나노로드가 가장 뛰어난 촉매 성능을 보이는 것으로 알려져 있었다. 하지만 서로 다른 형태의 세리아를 화학적으로 하나의 구조로 결합시켜 촉매 성능을 한층 더 높이려는 새로운 접근은 일찍이 시도된 바 없었다.

이러한 새로운 구조 설계가 중요한 이유는 촉매 성능이 격자 산소(Lattice oxygen)*의 촉매 반응에 의해 크게 좌우되기 때문이다. 특히 촉매 표면의 격자 산소가 직접 반응하는 마스 반 크레블린(Mars-van Krevelen, MvK)* 메커니즘에서는 격자 산소의 활성화를 극대화할 수 있는 나노구조 설계 원리가 아직 밝혀지지 않았다.
* 격자산소: 세리아 결정 내부의 원자 구조(격자)를 이루고 있는 산소 원자로, 촉매 반응에 직접 참여해 유해가스를 분해하거나 다른 물질을 산화시키는 역할을 한다.
* Mars-van Krevelen(MvK) 메커니즘 : 촉매 표면의 격자 산소가 반응에 직접 사용된 뒤, 공기 중 산소가 이를 다시 채워 넣는 방식으로 촉매 반응이 반복적으로 일어나는 원리.

이에 한정우 교수팀은 세리아 나노큐브와 세리아 나노로드를 화학적으로 접합한 새로운 구조체를 개발하고, 접합 부위의 불규칙한 원자 배열이 격자 산소 활성화를 촉진하는 원리를 규명하는 데 나섰다. 

■ 연구 성과

그 결과, 연구팀은 세리아 나노큐브와 세리아 나노로드를 화학적으로 하나의 구조로 결합한 '나노메이스(nanomace)'* 촉매를 세계 최초로 합성하는 데 성공했다. 뛰어난 성능을 보이는 이 촉매는 막대 모양의 나노로드 표면에 정육면체 나노큐브가 콕콕 박힌 형태로, 마치 '감자핫도그'를 닮았다.
* 영문명은 중세 무기 ’메이스(mace)’에서 따왔다.

나노메이스의 성능을 좌우하는 핵심은 나노큐브와 나노로드가 맞닿는 접합 부위(이음새)다. 성질이 다른 두 결정이 화학적으로 결합하면서 그 경계의 규칙적인 원자 배열이 흐트러졌고, 이곳에서 격자 산소가 가장 쉽게 빠져나와 촉매 반응에 활발하게 참여하기 때문이다. 반면 나노큐브와 나노로드를 단순히 섞었을 때는 이러한 변화가 나타나지 않았다. 두 구조가 화학적으로 결합되어야만 접합 부위의 촉매 성능이 높아지는 것이다.

또한 연구팀은 이 이음새가 전체 표면의 일부에 불과하지만, 마치 ‘숨은 일꾼’처럼 전체 촉매 반응의 약 3분의 1을 담당하는 핵심 활성 부위라는 사실을 규명했다. 이러한 구조 덕분에 나노메이스는 기존에 가장 뛰어난 촉매 성능을 보이던 나노로드를 비롯한 단일 형태 세리아보다 더 낮은 온도에서도 산소를 활성화해 촉매 반응을 시작할 수 있다.

아울러 연구팀은 인공지능(AI) 기반 그래프 신경망(Graph Neural Network) 시뮬레이션을 통해 이음새에서 격자 산소가 왜 더 쉽게 촉매 반응에 참여하는지를 원자 수준에서 밝혀냈다. 대규모 표면 시뮬레이션에서는 이음새 부위가 산소의 빈 자리(산소 공공)를 가장 쉽게 만드는, 즉 촉매 반응이 가장 활발하게 일어나는 부위임을 확인했다. 그리고 분자동역학 시뮬레이션에서는  일산화탄소가 이음새의 격자 산소와 반응하는 과정도 직접 확인했다. 이를 통해 연구팀은 계면(이음새)을 정밀하게 설계해 촉매 성능을 높이는 '계면 엔지니어링'이라는 새로운 촉매 설계 원리를 제시했다.

나노메이스의 또 다른 강점은 다양한 촉매 반응에 활용할 수 있다는 점이다. 나노메이스를 지지체로 활용해 금(Au)·팔라듐(Pd)·로듐(Rh) 등의 귀금속을 소량씩 입힌 결과, 성격이 다른 여러 촉매 반응에서 상용 촉매보다 최대 14.4배 높은 성능을 달성했다. 금을 입힌 촉매는 수성가스 전환 반응을 통해 수소를 생산했고, 팔라듐과 로듐을 입힌 촉매는 각각 온실가스인 메탄과 아산화질소(N₂O)를 분해했다. 또한 금을 입힌 촉매는 영하 70℃의 매우 낮은 온도에서도 유해가스인 일산화탄소를 제거했으며, 150시간 이상 성능을 안정적으로 유지해 높은 실용화 가능성도 입증했다.

■ 기대 효과

연구팀이 이번에 새로 개발한 나노메이스 촉매는 자동차와 산업 현장에서 배출되는 유해가스를 정화하는 기술은 물론, 청정 수소 생산과 탄소중립 에너지 기술에도 폭넓게 활용될 전망이다. 특히 적은 양의 귀금속만으로도 높은 촉매 성능을 구현하는 경제성을 확보한 덕분에 친환경 촉매의 빠른 상용화에 기여하는 핵심 기술이 될 것으로 기대된다.

■ 연구책임자 의견

한정우 교수는 "이번 연구는 촉매의 형태를 정밀하게 제어하는 것만으로도 격자 산소의 활성을 극대화할 수 있음을 보여준 성과"라며 "다양한 산화환원 반응에 두루 적용할 수 있는 범용 촉매 설계 원리가 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

한편, 서울대 재료공학부의 정석현 박사·김윤경 박사과정·장명곤 박사가 이번 논문에는 공동 제1저자로 참여했으며, 성균관대·POSTECH·한국기술교육대·일본 SPring-8 등이 공동 연구에 참여했다.

■ 연구진 진로

서울대학교 재료공학부의 정석현 박사·김윤경 박사과정생·장명곤 박사가 이번 논문에 공동 제1저자로 참여했다. 서울대 신소재공동연구소 선임연구원으로 재직 중인 정석현 박사는 생성모델과 그래프신경망, 다중스케일 시뮬레이션을 융합한 AI 기반 신소재 설계 연구를 수행하고 있다. 김윤경 박사과정생은 서울대 재료공학부에서 산화물 촉매의 활성 구조 설계와 반응 메커니즘 규명 연구를 수행 중이다. 장명곤 박사는 삼성전자 반도체연구소에서 차세대 메모리 반도체 공정 개발을 담당하고 있다.

한편 이번 연구는 서울대와 성균관대·POSTECH·한국기술교육대·일본 SPring-8와의 공동 연구로 이뤄졌다.

▲ 그림 1. 세리아 나노구조의 고분해능 투과전자현미경 이미지.
(왼쪽부터) 나노로드, 나노큐브, 그리고 새로 개발한 나노메이스. 나노메이스는 막대 모양의 나노로드 표면에 정육면체 나노큐브가 접합된 독특한 구조를 나타낸다.


▲ 그림 2. 나노메이스의 촉매 성능과 격자 산소 활성화 메커니즘.
(왼쪽) 반응 온도에 따른 유해가스(일산화탄소, CO) 저감 비율로, 나노메이스가 나노로드·나노큐브·상용 촉매보다 가장 낮은 온도에서 가장 빠르게 반응한다.

(오른쪽) 나노메이스용 그래프 신경망 모델로 수행한 분자동력학 시뮬레이션. 세리아의 큐브-로드 이음새에서 일산화탄소가 격자 산소와 만나 전환되는 과정을 원자 수준에서 보여준다.

[참고 자료]
- 논문명/저널 : Hierarchical ceria nanoarchitecture enabling accelerated lattice oxygen activation for efficient redox reactions, Nature Communications

- DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-026-72447-z

[문의]
서울대학교 재료공학부 한정우 교수 / 02-880-1608 / jwhan98@snu.ac.kr