연구진은 나노촉매 표면의 화학반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 촉매 나노다이오드 장치를 새롭게 개발하여 나노촉매3) 표면에서 발생한 핫전자가 효과적으로 화학전류로 검출됨을 확인했다.

나노촉매 분야는 넓은 표면적과 높은 반응성을 갖고 있어 꾸준히 연구되고 개발됐으나 표면에서 분자의 탈착 및 활성을 일으키는 기초현상인 핫전자의 수명이 매우 짧아 이를 측정하는데 큰 어려움이 있었다.

연구진이 개발한 새로운 촉매 나노다이오드는 얇은 금속 박막과 반도체로 이루어진 나노다이오드 표면 위에 콜로이드 합성법으로 제작한 백금 나노입자(1.7 나노미터와 4.5 나노미터 크기)를 랑뮤어 블라짓 기법을 통해 제작됐다.

이를 이용하여 나노입자에서 발생하는 핫전자의 흐름을 측정하는데 성공해, 그 결과 나노입자의 크기가 1.7인 경우, 4.2나노미터 크기의 촉매보다 촉매활성도가 50% 증가함과 동시에 화학전류 생성효율에 5배 증가됨을 확인했다.

연구진은 수소 산화반응 중 금속 나노촉매 표면에서 발생한 핫전자 흐름을 검출하고 더 나아가 나노입자의 크기에 따른 촉매활성도 및 촉매 에너지 변화를 정략적으로 비교하는데 성공했다.

박정영 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더는 “이번 연구는 나노 물질 표면에서 일어나는 화학촉매와 핫전자 간 반응 메커니즘에 대한 이해에 이론적 기반을 제공했다”며 “핫전자를 이용한 고효율 나노촉매의 개발과 에너지 소모 절감을 통해 에너지 및 환경분야에도 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 세계적인 화학저널인 안게반테 케미紙 지난 4일자 온라인에 게재됐고, 논문의 혁신성을 인정받아 핫 페이퍼(Hot paper)에 선정되어 28일 발간되는 저널의 속표지를 장식할 예정이다.