멀리 떨어진 원자도 금속 촉매 화학 결합에 영향준다

결합 지점 아닌 곳서 상호작용 확인 실험 중심 연구서 계산 연구로 확장 분자가 금속 표면에 결합할 때 전자적 반응이 결합 지점 주변을 넘어 표면을 따라 퍼지는 모습을 표현한 모식도. 금속의 전자 바다가 분자의 존재에 반응하며 결합의 영향이 넓은 영역으로 확장될 수 있음을 보여준다. 과학기술정보통신부 제공 한국과 독일 공동연구팀이 촉매의 화학 반응에 관여하는 새로운 변수를 규명했다. 통념과 달리 멀리 떨어진 원자 구조 변화도 화학 반응에 유의미한 영향을 미칠 수 있다는 사실이 밝혀진 것이다. 연구 결과는 그동안 실험과 시행착오 위주였던 고효율 촉매 설계 연구를 계산·예측 영역으로 확장하는 기반이 될 것으로 기대된다. 과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단(QNS)과 독일 막스플랑크 다학제 과학연구소 공동연구팀이 금속 촉매 표면의 광범위한 원자 구조가 분자의 화학 결합 세기에 영향을 미친다는 사실을 규명했다고 30일 밝혔다. 연구 결과는 29일(현지 시간) 국제학술지 ‘사이언스’에 공개됐다. 촉매는 적은 에너지로 분자 결합을 끊고 새로운 분자를 대량 합성하는 화학 반응을 촉진한다. 농업에 필수적인 비료 생산 등 다양한 산업 공정에 활용된다. 금속 촉매와 분자 사이의 화학 결합 세기는 화학 반응 속도와 효율 등을 좌우하는 핵심 요인이다. 그동안 분자와 금속의 화학 결합은 주로 분자가 달라붙은 지점과 주변 원자들의 상호작용을 중심으로 설명됐다. 금속 표면의 원자 구조가 분자와 금속 사이의 결합 세기에 얼마나 먼 거리에서까지 영향을 미치는지는 명확하지 않았다. 연구팀은 백금(Pt) 결정 표면에 계단 구조를 구현했다. 결정 표면의 계단 턱 사이 간격을 다양하게 만들어 측정용 자처럼 활용하는 아이디어다. 이어 암모니아(NH₃), 일산화탄소(CO), 일산화질소(NO) 분자가 백금과 결합하는 세기를 정밀하게 측정·비교했다. 실험 결과 분자와 금속의 결합 지점에서 분자 종류에 따라 최대 약 10nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 떨어진 원자 구조까지 결합 세기에 유의미한 영향을 미쳤다. 일산화질소(NO)의 결합 에너지는 계단 사이의 거리에 따라 약 0.2eV(전자볼트·에너지의 단위) 차이가 발생했다. 화학 반응 특성을 크게 바꿀 수 있을 정도라는 설명이다. 10nm는 원자가 수십 개 이상 나열될 수 있을 정도로 원자 입장에서는 먼 거리다. 어떤 분자가 금속 표면에 결합할 때 금속을 구성하는 광범위한 ...