극내 대학 연구진이 여러 금속을 섞을수록 오히려 더 균일한 구조가 형성되는 나노입자 합성 원리를 세계 최초로 규명했다. 연구팀은 이번 성과가 차세대 수소 생산 촉매와 친환경 에너지 소재 개발의 핵심 설계 원리가 될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

KAIST는 생명화학공학과 정희태 석좌교수 연구팀이 미국 스탠퍼드대 마테오 카르넬로 교수팀과 공동으로 다성분 나노입자의 ‘성분 집중(composition-focusing)’ 현상을 규명했다고 10일 밝혔다.

기존에는 여러 금속을 혼합하면 반응 속도 차이로 입자 구조가 불균일해진다고 알려져 있었다. 하지만 연구팀은 금속 원소 종류가 많아질수록 원자들이 특정 조성으로 정렬되며 오히려 균일한 구조를 형성한다는 사실을 확인했다.

연구 결과 서로 다른 금속 원자들이 경쟁적으로 결합하는 과정에서 먼저 결합한 원자가 이후 들어오는 원자의 결합을 돕는 ‘징검다리’ 역할을 수행하는 것으로 나타났다. 이에 따라 원자들이 무작위로 섞이지 않고 층층이 정돈된 구조를 형성한다는 것이다.

연구팀은 이 원리를 검증하기 위해 5개 금속이 포함된 다성분 나노입자 촉매를 제작했다.

실험 결과 암모니아 분해 기반 수소 생산 반응에서 기존 산업용 루테늄(Ru) 촉매보다 약 4배 높은 효율을 보였다. 또 900도 고온 환경에서도 안정성을 유지했다고 설명했다.

정 석좌교수는 “복잡한 화학 반응 환경이 오히려 원자 배열을 정돈시키는 역설적 현상을 규명한 연구”라며 “수소 생산과 이산화탄소 전환 등 에너지 공정용 고성능 촉매 개발에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 윤지수 박사과정생과 스탠퍼드대 오진원 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스(Science)’ 5월 7일자에 게재됐다.