과학자들은 백금 원자를 매핑했습니다. 그리고 그것은 촉매 작용을 영원히 변화시킬 수 있습니다.

촉매는 질소(파란색)와 탄소 원자(회색)로 둘러싸인 단일 백금 원자(빨간색)로 구성되어 있습니다. 핵자기공명을 이용하여 이러한 원자 환경을 최초로 정밀하게 연구할 수 있게 되었습니다. 사진 제공: 하비에르 페레스-라미레스 / 취리히 연방공과대학교

취리히 연방공과대학교(ETH Zurich) 연구진은 핵자기공명(NMR)을 이용하여 고체 지지체 내 단일 백금 원자의 원자 환경과 공간적 방향을 연구했습니다. 이 방법은 향후 단일 원자 촉매 생산을 최적화하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

촉매 작용, 즉 특정 물질을 첨가하여 화학 반응을 촉진하는 것은 산업계뿐 아니라 일상생활에서도 매우 중요합니다. 모든 화학 제품의 약 80%가 촉매 작용을 통해 생산되며, 배기가스 촉매나 연료 전지와 같은 기술 또한 이 원리에 기반합니다. 특히 효과적이고 다재다능한 촉매 중 하나는 백금입니다. 하지만 백금은 매우 희귀하고 값비싼 귀금속으로, 생산 과정에서 이산화탄소 배출량이 많기 때문에 효율 을 극대화하면서 사용량을 최소화하는 것이 중요합니다.

단일 원자를 갖는 촉매

최근 몇 년 동안 과학자들은 각 원자가 화학 반응에 기여하는 소위 단일 원자 촉매를 개발하려고 노력해 왔습니다. 이 촉매는 다공성 호스트 물질, 예를 들어 질소 원자로 도핑된 탄소 표면에 단일 백금 원자를 증착하여 만들어집니다. 질소 원자는 백금 원자가 고정될 수 있는 고정점 역할을 합니다.

취리히 연방공과대학교(ETH Zurich) 화학 및 응용생명과학과의 하비에르 페레스-라미레스(Javier Pérez-Ramírez)와 크리스토프 코페레(Christophe Copéret)가 이끄는 연구팀은 리옹 대학교와 오르후스 대학교의 동료들과 협력하여 이러한 단일 원자 촉매가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡하다는 것을 보여주었습니다. 핵자기공명(NMR)을 이용하여 이러한 촉매에 포함된 개별 백금 원자가 매우 다른 원자 환경을 가질 수 있으며, 이것이 촉매 작용에 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 이 발견은 앞으로 더욱 효율적인 촉매 소재 개발을 가능하게 할 것입니다. 연구진은 최근 과학 저널 네이처( Nature) 에 연구 결과를 발표했습니다.

우연한 만남이 돌파구로 이어진다

"지금까지 개별 백금 원자는 전자 현미경 '렌즈'를 통해서만 관찰할 수 있었습니다. 전자 현미경은 인상적이기는 하지만 촉매 특성에 대해서는 많은 것을 알려주지 못했습니다."라고 페레스-라미레스는 말합니다. 그는 코페레와 함께 개별 백금 원자의 특성을 더 정확하게 분석할 방법을 고민했습니다. 이 협력은 NCCR 촉매 프로그램 관련 회의에서 우연히 만난 것에서 시작되었습니다.

두 연구원은 회의 후 핵자기공명(NMR)을 시도해 보자는 아이디어를 내놓았습니다. 병원 MRI의 기반이 되고 실험실에서 분자를 연구하는 데 일반적으로 사용되는 이 방법은 강한 정자기장 내 원자핵의 스핀이 특정 공명 주파수의 진동 자기장에 반응하는 것입니다. 분자에서 이 공명 주파수는 분자 내부에 서로 다른 원자들이 어떻게 배열되어 있는지에 따라 달라집니다. 코페레는 "마찬가지로, 단일 백금 원자의 공명 주파수는 탄소, 질소, 산소와 같은 이웃 원자와 정자기장에 대한 방향의 영향을 받습니다."라고 설명합니다.

이로 인해 오케스트라의 다양한 음색처럼 여러 가지 공명 주파수가 발생합니다. 어떤 악기가 특정 음색을 내는지 알아내는 것은 쉽지 않습니다. "운 좋게도 리옹을 방문했을 때 우리 중 한 명이 같은 시기에 리옹을 방문 중이던 오르후스 출신 시뮬레이션 전문가를 만났습니다."라고 코페레는 말합니다. 그는 이러한 만남과 그로 인한 협력은 과학적 진보에 필수적이라고 덧붙입니다. ETH 협력자와 함께, 이 시뮬레이션 전문가는 혼합된 물질에서 개별 백금 원자의 다양한 "음색"을 걸러낼 수 있는 컴퓨터 코드를 개발했습니다.

원자 환경 매핑

궁극적으로 이는 단일 원자 촉매에 대한 설명에 있어 획기적인 진전을 이루었습니다. 연구팀은 이제 백금 원자를 둘러싼 원자의 종류와 위치를 보여주는 일종의 지도를 작성할 수 있었습니다. 페레스-라미레스는 "이 분석법은 이 분야의 새로운 기준을 제시합니다."라고 말했습니다.

널리 이용 가능한 이 방법을 사용하면 단일 원자 촉매 생산 프로토콜을 최적화하여 모든 백금 원자가 맞춤형 환경을 갖도록 할 수 있습니다. 이것이 팀의 다음 과제입니다. 코페레는 "저희 방법은 지적 재산권 관점에서도 중요합니다."라고 말하며, "원자 수준에서 촉매를 정확하게 설명할 수 있기 때문에 특허를 통해 촉매를 보호할 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250702214154.htm