일본 연구진은 백금 클러스터 속의 원자 수를 제어할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 연료전지 기술은 전기를 발생시키기 위한 매우 효율적이고 친환경적인 방법을 제공한다. 그러나 많은 연료 전지들은 고가의 백금 촉매들을 필요로 한다. 따라서 연료 전지의 비용을 감소하기 위해서, 더 효율적인 촉매들이 합성되어야 한다.

적은 수의 원자들을 포함하는 금속 클러스터는 다른 거대하거나 미세한 입자들보다 우수한 촉매 특성을 제공할 수 있는 흥미로운 재료를 만들 수 있게 한다. ‘매직 넘버(magic number)’ 클러스터로 알려진 수많은 원자들을 가진 매우 안정적인 금속 입자들은 상당히 쉽게 합성될 수 있다. 덜 안정적인 ‘비-매직 넘버’ 클러스터는 매직 넘버 클러스터보다 향상된 촉매 활성을 가진다고 알려져 있다. 그러나 이런 비-매직 넘버 클러스터에 대한 조사는 단일 원자 정밀도를 가진 합성 방법의 부족으로 어려움을 겪고 있다.

도쿄 공업대학(Tokyo Institute of Technology)의 연구진은 새로운 방법을 개발했는데, 이것은 덴드리머(dendrimer)라고 알려진 분기 분자(branching molecule)를 사용해서 백금 클러스터 속의 원자 수를 정밀하게 제어할 수 있었다. 촉매 성능에 대한 클러스터 당 원자 수의 효과는 산소 환원 반응을 사용해서 조사되었다. 산소 환원 반응은 연료전지와 같은 에너지 전환 시스템에서 중요한 반응이다.

이번 연구진은 Pt12와 Pt13 클러스터의 합성을 이전에 수행했다. 이 방법을 향상시킴으로써, 이번 연구진은 뛰어난 정밀도를 가진 Pt24 클러스터를 통해서 Pt12를 제조할 수 있었다. 이것은 덴드리머와 금속 전구체의 양을 조절함으로써 제어될 수 있었고, 단계별 및 무작위 방법으로 두 개의 서로 다른 덴드리머를 사용했다.

촉매 성능은 클러스터 속의 원자 수에 따라서 상당히 달라진다. Pt19는 최고의 성능을 가지고 있다. 이 실험 결과 및 이론적 분석 결과는 더 큰 클러스터가 과잉 Pt 원자를 가진 Pt13 코어(core)를 갖추고 있다는 것을 보여주었다. 이때 과잉 Pt 원자들은 모서리에 분포되어 있다. 매직-넘버 Pt123 클러스터는 낮은 촉매 활성을 가지지만, 안정적인 코어에 Pt 원자들을 첨가하는 것은 매우 높은 촉매 활성을 가진 클러스터를 형성시킨다. 활성 분야에서의 이런 변화는 원자 수에 의존하는 클러스터의 형상 변화와 관련된다.

이 연구는 단일 원자 제어로 백금 클러스터를 제조할 수 있는 합성 방법을 제안할 뿐만 아니라 금속 클러스터 속에 구조-특성 관계를 제조명할 수 있게 한다. 또한 이 연구결과는 고성능 촉매로서 비-매직 넘버 클러스터의 큰 잠재력을 보여주고 있다. 촉매 성능의 측정은 연료전지의 성능을 향상시키는 중요한 프로세스이다. 이 연구결과는 저널 Angewandte Chemie International Edition에 “Finding the Most Catalytically Active Platinum Clusters With Low Atomicity”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/anie.201504473).

그림. 제어된 수의 원자들을 가진 백금 클러스터를 합성할 수 있는 덴드리머-템플릿 방법의 개략도.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 21일]