활성 높은 분자촉매 '나노 새장'에 넣어 안정성 높인다

2019.11.24 12:00
최경민 숙명여대 화공생명공학부 교수(왼쪽)과 김우열 교수(가운데), 이현신 연구원 공동연구팀은 새장 모양으로 촉매를 감싸 분자촉매의 효율을 떨어트리지 않으면서도 안정성을 높이는 기술을 찾아냈다. 한국연구재단 제공
최경민 숙명여대 화공생명공학부 교수(왼쪽)과 김우열 교수(가운데), 이현신 연구원 공동연구팀은 새장 모양으로 촉매를 감싸 분자촉매의 효율을 떨어트리지 않으면서도 안정성을 높이는 기술을 찾아냈다. 한국연구재단 제공

활성은 높으나 자기들끼리 결합하며 망가지는 단점을 가진 분자촉매를 나노미터(㎚·10억분의 1m) 크기 틀(케이지) 속에 담아 안정성을 높이고 효율은 그대로 유지하는 기술이 개발됐다.

 

최경민 숙명여대 화공생명공학부 교수와 김우열 교수 공동연구팀은 새를 보호하는 새장처럼 촉매를 감싸 분자촉매의 효율을 떨어트리지 않으면서도 안정성을 높이는 기술을 찾아냈다고 24일 밝혔다.

 

촉매는 화학반응을 원활하게 이뤄지도록 도와 고부가가치 화학제품을 만들 수 있게 한다. 최근에는 촉매 중에서도 작은 분자 하나하나가 반응에 참여하는 촉매인 분자촉매가 기존 금속촉매보다 활성이 높아 주목받고 있다. 분자촉매는 반응과정에서 자기들끼리 결합해 다른 화합물로 변하기 쉬운 것이 단점이다. 이를 보완하기 위해 다른 입자와 결합해 분자촉매의 안정성을 높이는 방법이 쓰여 왔으나 안정성을 얻는 대신 활성이 떨어지는 단점이 있었다.

 

연구팀은 속이 빈 사면체 형태의 금속유기 단위입자 케이지 안에 분자촉매를 넣는 방법을 개발했다. 한국연구재단 제공
연구팀은 속이 빈 사면체 형태의 금속유기 단위입자 케이지 안에 분자촉매를 넣는 방법을 개발했다. 한국연구재단 제공

연구팀은 분자촉매 각각을 속이 빈 사면체 형태의 틀(케이지) 입자에 넣는 방법을 개발했다. 금속 산화물과 유기물의 결합으로 만들어진 1.5㎚ 크기의 ‘금속유기 단위입자’ 케이지 안에 분자 촉매를 하나씩 결합시킨다. 촉매를 담은 케이지가 분자촉매가 서로 만나지 못하게 하는 역할을 한다.

 

그 결과 촉매는 본래 활성을 유지하면서도 안정성을 잃지 않았다. 분자촉매를 보호 케이지 안에 담고 24시간 동안 반응을 시키자 기존 분자촉매보다 반응성능이 42배 커졌다. 안정성이 높아지자 촉매의 성능이 좋아진 것이다. 시간이 지나도 촉매의 활성도는 그대로 유지됐다.

 

연구팀은 “다양한 분자촉매를 담을 수 있는 플랫폼을 개발하고 실제 촉매에 적용한 사례”라며 “오염물 분해반응과 유기합성, 전기화학반응 등 다양한 반응에서 촉매 활성과 안정성을 높이는 실마리가 될 것”이라고 말했다.

 

연구결과는 지난달 29일 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학’에 실렸다.

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