| [미국] 백금(platinum) 사용 최소화한 새로운 촉매 개발
백금(platinum)은 뛰어난 반응성으로 인해 화학 및 에너지 산업 분야에 있어서 많은 수요가 있어왔다. 하지만 위스콘신 메디슨(University of Wisconsin-Madison)대와 조지아텍(Georgia Institute of Technology)의 연구자들이 전세계적으로 이루어지고 있는 이 촉매의 백금 의존성을 줄일 수 있는 방법을 개발하는데 성공했다.
2015년 7월 2일 Nature Communications지에 게재된 논문에서 Paul A. Elfers와 화학 및 생물학부 교수인 Manos Mavrikakis 및 그의 동료 연구자들은 저렴한 금속인 팔라듐(platinum)과 백금을 결합시킨 새로운 촉매를 개발하는데 성공했다. 이러한 연구 결과는 백금의 필요성을 줄여줄 수 있을 뿐만 아니라 연료 전지 에너지 응용 분야의 핵심 과정인 산소환원 반응(oxygen reduction reaction)에서 순수한 백금에 비해 화학적으로 보다 뛰어난 활성을 지닌다는 사실을 입증했다.
팔라듐-백금 조합은 또한 보다 뛰어난 지속성을 보여주었다. 여러 실험 결과를 통해 이 논문은 화학 엔지니어들이 원자수준에서 재료에 대한 미세조절을 통해 다양한 분야에 응용될 수 있는 새로운 촉매를 디자인하는데 많은 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다.
이번 발견은 작년 조지아텍의 연구자들이 대부분이 팔라듐으로 구성되어 있는 나노입자를 만들어 작은 양의 배금과 표면에서 반응하도록 만들어낸 결과에 기초해 시작되었다. 연구 초반에, 연구자들은 이 입자들이 순수한 백금에 비해 뛰어난 활성을 보인다는 사실을 발견했다. 왜 이러한 현상이 일어나는지를 파악하기 위해 조지아텍의 연구자들은 Mavrikakis 교수가 이끄는 위스콘신-메디슨대 연구자들과 대학원생인 Luke Roling, 박사후과정생인 Jeffrey Herron 등과 공동 연구를 수행했다.
Roling은 이에 대해 "이번 연구는 나노입자의 표면에 존재하는 원자의 정확한 배열에 대해 이야기하고 있다. 이러한 것들은 반응이 얼마나 빠르게 일어나는 지에 대한 엄청난 차이를 만들어낼 수 있다. 이와 관련된 이론은 이미 이전에 존재해 왔으며 이제 이러한 물질을 대상으로 정확한 구조를 만들어내는데 성공했다"고 말했다. 양자역학을 기반으로 이 새로운 재료 물질을 만들어내는 기술이 빠르게 성장하고 있기 때문에 이번 연구는 촉매를 비용효과적으로 만들어내는데 많은 도움을 줄 수 있을 것이다.
Mavrikakis는 마지막으로 "이번 연구의 목적은 우리가 이용하는 백금의 양을 최소화하고 결국 백금을 온전하게 대체할 수 있는 촉매를 찾아내는데 있다. 만약 우리가 백금으로부터 자유로워질 수 있다면 이러한 많은 응용분야가 경제적으로 가능해질 것"이라고 언급했다. 이에 대한 보다 자세한 연구 결과는 ""Palladium–platinum core-shell icosahedra with substantially enhanced activity and durability towards oxygen reduction." Nature Communications 6, Article number: 7594 DOI: 10.1038/ncomms8594"를 참고하기 바란다.
그림: 촉매의 정 20면체 구조가 반응 속도에 많은 영향을 준다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 8일]
[원문보기]
New catalyst does more with less platinum
Platinum is a highly reactive and in-demand catalyst across the chemical and energy industries, but a team of University of Wisconsin-Madison and Georgia Institute of Technology scientists could reduce the world's dependence on this scarce and expensive metal.
In a paper published July 2, 2015 in the journal Nature Communications, Paul A. Elfers and Vilas Distinguished Achievement Professor of Chemical and Biological Engineering Manos Mavrikakis and his research group describe a new catalyst that combines platinum with the less expensive metal palladium. This not only reduces the need for platinum but actually proves significantly more catalytically active than pure platinum in the oxygen reduction reaction, a chemical process key to fuel cell energy applications. The palladium-platinum combination also proves more durable, compounding the advantage of getting more reactivity with less material. Just as importantly, the paper offers a way forward for chemical engineers to design still more new catalysts for a broad range of applications by fine-tuning materials on the atomic scale.
The discovery was set in motion last year, when researchers at Georgia Tech developed nanoparticles consisting mostly of palladium, with a relatively small amount of platinum worked into the surface. Early on they realized that these particles showed significantly greater activity than pure platinum, as measured by dividing the current produced by the oxygen reduction reaction by the mass of platinum used. But to understand the why—the chemistry driving this apparent advantage—the Georgia Tech researchers turned to the UW-Madison team of Mavrikakis, graduate student Luke Roling and postdoctoral researcher Jeffrey Herron.
Roling says that from a chemist's point of view, the new catalyst's high performance at first seemed counterintuitive. But the Mavrikakis group, by applying its strengths in modeling and computational analysis, discovered that the advantage lays in the nanoparticle's icosahedral, or 20-faceted, structure. Moving forward, researchers looking for new catalysts can experiment with similar structures and perhaps find even more reactive materials.
For Mavrikakis, the results vindicate years of research—on both the theoretical and synthesis sides of catalysis—that has focused on the importance of how a particular substance's reactivity changes depending on whether it's structured as an icosahedron, an octahedron or another shape.
"This is speaking to the precise arrangement of atoms on the surface of a nanoparticle," Mavrikakis says. "That can make an enormous difference in how fast the reaction takes place. Theory has been instrumental for about 10 years now to demonstrate the importance of being able to tailor-make specific facets of the same material."
As rapidly improving technology to synthesize new tailor-made materials aligns with quantum mechanics, this research could make all manner of catalysis-driven processes more efficient and less expensive.
"The goal here is to try to minimize the amount of platinum that you use, and eventually find a complete replacement of platinum," Mavrikakis says. "If we can move away from platinum, many of these applications have the potential to become more robust financially."
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