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[IT뉴스]멀리 떨어진 원자, 금속 촉매 화학 결합에 영향

온카뱅크관리자

2026-10-30 10:37:25

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 분자가 촉매 금속 표면에서 화학 결합을 할 때 광범위한 원자 구조가 영향을 미치는 모습을 표현한 모식도. IBS 제공
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 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. 연구결과는 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. 연구결과는 29일(현지시간) 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 10나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 떨어진 원자 구조까지 결합 세기에 유의미한 영향을 미쳤다. 일산화질소(NO)의 결합 에너지는 계단 사이의 거리에 따라 약 0.2전자볼트(eV, 에너지의 단위) 차이가 발생했다. 화학 반응 특성을 크게 바꿀 수 있을 정도라는 설명이다.
 10nm는 원자가 수십개 이상 나열될 수 있을 정도로 원자 입장에서는 먼 거리다. 어떤 분자가 금속 표면에 결합할 때 금속을 구성하는 광범위한 구조적 차이가 결합 에너지에 반영된다는 의미다. 세 분자의 전자 구조와 금속 표면의 상호작용이 다르기 때문에 장거리 효과가 나타나는 구체적인 양상은 달랐다.
 이번 연구결과는 촉매 설계 과정에서 고려해야 할 새로운 물리적 변수를 발견했다는 점에서 의미가 있다. 반응에 투입되는 금속 나노입자의 크기가 달라지면 분자가 표면에 결합하는 방식이 바뀌고 촉매의 특성도 변한다. 나노입자들의 촉매 효율이 크기에 따라 다르다는 사실은 잘 알려졌지만 그 이유는 충분히 밝혀지지 않았다. 금속 나노입자의 크기는 연구에서 발견한 장거리 효과의 영향 범위와 비슷하다. 
 연구 교신저자인 드미트리 보로딘 QNS 그룹리더(이화여대 물리학과 연구교수)는 "나노입자 등 촉매의 성능을 개선하기 위해 조절할 수 있는 또 다른 요소를 밝혀낸 것"이라고 설명했다. 
 이번 성과가 최근 떠오르는 AI 기반 촉매 설계 연구에도 기여할 수 있다는 전망이 제시됐다. 보로딘 교수는 "AI도 지식이 필요하다"며 "화학 결합 세기에 정확히 어떤 효과가 기여하는지 모르면 설계에 고려할 수 없다"고 밝혔다.
 분자를 중심으로 보는 화학과 금속의 전자적 특성을 다루는 물리학의 관점을 통합한 다학제적 성과라는 점도 주목할 만하다. 보로딘 교수는 "화학과 물리학이 협력해 새로운 지식을 창출한 사례"라며 "국경을 넘어 긴밀하게 협력했기 때문에 가능했던 성과"라고 강조했다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1126/science.aei5255
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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