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¥"触媒¥"が世の中を支配する…ナノ触媒反応極大化原理糾明

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¥"触媒¥"が世の中を支配する…ナノ触媒反応極大化原理糾明

アジア経済| 記事入力 2012-11-08 12:00 記事原文
▲ルテニウム(Ru) ナノ粒子の触媒環境途中酸化状態.[写真=教育科学技術部]
[アジア経済ゾングゾングオ記者]国内研究陣が触媒反応を極大化させることができる原理を糾明して関心が集中されている. バックゾングヤングカイスト(KAIST) 教授が中心になった国内研究陣はナノ触媒にサンファマックを形成させて触媒反応を極大化させることができる原理を糾明した. 新しい触媒物質開発可能性が開かれた.

ナノ触媒(Nanocatalysts)は表面積が高い酸化物ジジチェにナノメートル(10億分の 1メートル) 大きさの金属粒子が分散している構造で表面で気体反応をなだらかにさせる材料を言う.

21世紀に入って触媒は人類が直面した多様な問題を解決することができることと知られている. 触媒は化学反応でその自分は変わらないのに他の物質の化学反応を早くするとか延ばす作用をする核心物質だ.

日常生活で使っている製品の大部分(80% 以上)は触媒を利用して作られる. 触媒は私たちの生活で必ず必要で重要な物質で知られている. 最近全世界研究者たちは人類が直面した重要イシューであるエネルギーと環境問題などを根本的に解決するために親環境的化学公正に使われる新しいナノ触媒物質を集中的に開発している.

実生活で主に使われる触媒はナノ粒子と酸化物で成り立っている. その中ナノ粒子は触媒の表面積を最大限広げて触媒の活性度を極大化させる役目をする.

活性度が高い触媒を效果的に製造するためにはナノ粒子の表面サンファマックが重要な要因と知られて来た. これを科学的に立証するためには触媒が応じる環境でナノ粒子の酸化状態を正確に測定しなければならないのに今まで大部分真空状態でばかり分析されてこれを綿密に確認しにくかった.

触媒が応じる環境で測定されるためには常圧測定が必要だ. 最近開発された常圧エックス線光電子分光法でこのような常圧で表面の成分と酸化状態の研究が可能になった. エックス線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy)はエックス線を物質にあたった時出る光電子の運動エネルギーを調査して物質の成分と酸化状態などを研究する表面分析法だ.

国内研究陣は 2.8ナノメートルと 6ナノメートル大きさのルテニウムナノ粒子 2個をコロイド合成法で製作して, レングミュルブルラジッ技法でナノ粒子一階を表面に蒸着させた. 研究チームはナノ粒子の酸化状態を温度と圧力を変えながら測定したし大きいルテニウムナノ粒子が薄らサンファマックを持つという結果を導出した.

研究チームはツックゾングギョルとを土台で酸化状態が触媒の活性度に及ぶ影響を確認して大きいルテニウムナノ粒子の薄らサンファマックが触媒の活性度を高めることができるし, 酸化状態を変えれば活性度を制御することができるという事実を立証した.

バックゾングヤング教授はナノ粒子のサンファマックが触媒環境で作られて触媒活性度にも直接的関係があるというのを糾明することで活性度が高い触媒物質を作るのに応用されることができると環境汚染に主な原因になることができる触媒物質の使用を画期的に減らすのに寄与することで期待されると説明した.

今度研究は朴教授が主導とカムランカデ−ル博士課程生(Kamran Qadir, 第1著者), 蔚山科学技術大株敍勳教授, 漢陽大ムンボングジン教授及び UCバークリ大家宝ソモザイ教授が参加した. 今度研究結果はナノ分野の権威ある学術誌である ¥"Nano Letters¥" オンライン速報(10月 15日)に載せられた.

◆常圧エックス線光電子分光法(Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy)=エックス線光電子分光法はエックス線を物質にあたった時出る光電子の運動エネルギーを調査することで物質の成分と酸化状態などを研究することができる表面分析法だ. 高いエックス線の強盗が必要だから主に放射光アクセレレーター (synchrotron)に設置される. 最近差動真空システム (differential pumping)を利用してエックス線光電子分光法を常圧で利用することができるようになるし多様な触媒, 分子の化学的反応, 水, 環境などの研究に使われている.

◆コロイド合成法=グムソックヨックと安定剤が一緒に溶解されている溶媒に還元剤を投入または混合してナノ粒子を製作する方法だ. 製作過程で多くの因子を変えて粒子の大きさと模様, 成分の制御が可能だ.

◆レングミュルブルラジッ(Langmuir-Blodgett)技法=金属ナノ粒子を断層で製作する技法なのにナノ粒子が溶液の上に浮かんでいる時, 表面圧力を調節してナノ粒子の間の平均間隔を調節することができる.

ゾングゾングオ記者 ikokid@

<c。世界を見る窓経済を見る目, アジア経済(www.asiae.co.kr) 無断転載配布禁止>
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"촉매"가 세상을 지배한다…나노촉매 반응 극대화 원리 규명

"촉매"가 세상을 지배한다…나노촉매 반응 극대화 원리 규명

아시아경제| 기사입력 2012-11-08 12:00 기사원문
▲루테늄(Ru) 나노입자의 촉매환경 도중 산화상태.[사진=교육과학기술부]
[아시아경제 정종오 기자]국내 연구진이 촉매 반응을 극대화시킬 수 있는 원리를 규명해 관심이 집중되고 있다. 박정영 카이스트(KAIST) 교수가 중심이 된 국내 연구진은 나노촉매에 산화막을 형성시켜 촉매 반응을 극대화 시킬 수 있는 원리를 규명했다. 새로운 촉매물질 개발 가능성이 열렸다.

나노촉매(Nanocatalysts)는 표면적이 높은 산화물 지지체에 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 금속입자가 분산돼 있는 구조로 표면에서 기체 반응을 원활하게 하는 재료를 말한다.

21세기 들어 촉매는 인류가 직면한 다양한 문제를 해결할 수 있는 것으로 알려져 있다. 촉매는 화학 반응에서 그 자신은 변하지 않는데 다른 물질의 화학 반응을 빠르게 하거나 늦추는 작용을 하는 핵심 물질이다.

일상생활에서 사용하고 있는 제품의 대부분(80% 이상)은 촉매를 이용해 만들어진다. 촉매는 우리 생활에서 꼭 필요하고 중요한 물질로 알려져 있다. 최근 전 세계 연구자들은 인류가 직면한 중요 이슈인 에너지와 환경문제 등을 근본적으로 해결하기 위해 친환경적 화학공정에 사용될 새로운 나노촉매 물질을 집중적으로 개발하고 있다.

실생활에서 주로 사용되는 촉매는 나노입자와 산화물로 이뤄져 있다. 그 중 나노입자는 촉매의 표면적을 최대한 넓혀 촉매의 활성도를 극대화 시키는 역할을 한다.

활성도가 높은 촉매를 효과적으로 제조하기 위해서는 나노입자의 표면 산화막이 중요한 요인으로 알려져 왔다. 이를 과학적으로 입증하기 위해서는 촉매가 반응하는 환경에서 나노입자의 산화상태를 정확히 측정해야 하는데 지금까지 대부분 진공상태에서만 분석돼 이를 면밀히 확인하기 어려웠다.

촉매가 반응하는 환경에서 측정되기 위해서는 상압측정이 필요하다. 최근 개발된 상압 엑스선 광전자 분광법으로 이러한 상압에서 표면의 성분과 산화상태의 연구가 가능하게 됐다. 엑스선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy)은 엑스선을 물질에 쬐었을 때 나오는 광전자의 운동에너지를 조사해 물질의 성분과 산화상태 등을 연구하는 표면분석법이다.

국내 연구진은 2.8나노미터와 6나노미터 크기의 루테늄 나노입자 2개를 콜로이드 합성법으로 제작하고, 랭뮤르 블라짓 기법으로 나노입자 한 층을 표면에 증착시켰다. 연구팀은 나노입자의 산화상태를 온도와 압력을 바꿔가며 측정했고 크기가 큰 루테늄 나노입자가 얇은 산화막을 가진다는 결과를 도출했다.

연구팀은 측정결과를 바탕으로 산화상태가 촉매의 활성도에 미치는 영향을 확인해 크기가 큰 루테늄 나노입자의 얇은 산화막이 촉매의 활성도를 높일 수 있고, 산화상태를 바꾸면 활성도를 제어할 수 있다는 사실을 입증했다.

박정영 교수는 "나노입자의 산화막이 촉매환경에서 만들어지고 촉매활성도에도 직접적 관계가 있다는 것을 규명함으로써 활성도가 높은 촉매물질을 만드는데 응용될 수 있다"며 "환경오염에 주요한 원인이 될 수 있는 촉매물질의 사용을 획기적으로 줄이는데 기여할 것으로 기대된다"고 설명했다.

이번 연구는 박 교수가 주도하고 캄란 카디르 박사과정생(Kamran Qadir, 제1저자), 울산과기대 주상훈 교수, 한양대 문봉진 교수 및 UC버클리대 가보 소모자이 교수가 참여했다. 이번 연구결과는 나노분야의 권위 있는 학술지인 "Nano Letters" 온라인 속보(10월 15일)에 게재됐다.

◆상압 엑스선 광전자 분광법(Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy)=엑스선 광전자 분광법은 엑스선을 물질에 쬐었을 때 나오는 광전자의 운동에너지를 조사함으로써 물질의 성분과 산화상태 등을 연구할 수 있는 표면분석법이다. 높은 엑스선의 강도가 필요하기 때문에 주로 방사광 가속기 (synchrotron)에 설치된다. 최근에 차동 진공시스템 (differential pumping)을 이용하여 엑스선 광전자 분광법을 상압에서 이용할 수 있게 되고 다양한 촉매, 분자의 화학적 반응, 물, 환경 등의 연구에 쓰이고 있다.

◆콜로이드 합성법=금속염과 안정제가 함께 용해돼 있는 용매에 환원제를 투입 또는 혼합해 나노입자를 제작하는 방법이다. 제작과정에서 여러 인자를 바꿔 입자의 크기와 모양, 성분의 제어가 가능하다.

◆랭뮤르 블라짓(Langmuir-Blodgett)기법=금속나노입자를 단층으로 제작하는 기법인데 나노입자가 용액 위에 떠 있을 때, 표면 압력을 조절해 나노입자 사이의 평균 간격을 조절할 수 있다.

정종오 기자 ikokid@

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