■ 연구성과

재료공학부 남기태 교수 연구팀, 수소 시대 앞당길 광합성 원리 모방한 망간 물 산화 촉매 개발

2020.11.01

- 수소 생산 및 이산화탄소 환원 통한 연료 생산에 활용

- 세계 최초로 반응 도중 전자 스핀상태 변화 발견

재료공학부 남기태 교수 연구팀이 미래 에너지로 손꼽히는 수소 생산 및 이산화탄소 환원을 통한 연료 생산에 활용할 수 있는 기술을 개발했다.

미래소재디스커버리 연구사업의 지원 하에, 한국기초과학지원연구원 김선희 박사, 한국과학기술원 화학과 김형준 교수와의 공동연구를 통해 자연계의 광합성 원리를 모방해 만든 망간 기반의 비균질 촉매에서, 세계 최초로 물산화 반응 도중 전자 스핀 상태의 변화를 관찰하였다.

본 연구 결과는 친환경 수소 생산의 핵심인 물 산화 반응에서, 대량화가 용이한 비균질 촉매의 핵심 작동원리 이해 및 반응 경로 제어에 크게 기여할 것으로 기대된다.

자연계 광합성 시스템에서, 핵심 반응인 물 산화 반응은 값싸고 풍부한 망간과 칼슘으로 구성된 유무기 클러스터에 의해 진행된다. 망간칼슘 클러스터는 반응 도중에 독특한 구조 변화를 통해 전자 스핀 상태 및 에너지 상태가 최적화되어 매우 뛰어난 물 산화 효율을 나타낸다.

이러한 생체 촉매의 특성을 안정적이며 대량화가 용이한 비균질 촉매 시스템에 모방하고자 노력해왔지만, 상대적으로 낮은 효율과 작동원리 규명의 어려움 등으로 아직까지는 뚜렷한 성과가 나오지 않고 있는 상황이다.

연구팀은 10nm 이하의 매우 작은 망간 산화물에 니켈 이종원소를 도입해 표면 망간의 구조가 뒤틀려 있는 형태의 촉매 물질을 개발하고 실시간 분광학 분석법으로 물 산화 반응 경로와 핵심 작동원리를 밝혔다. 이를 통해 물 산화 반응 도중 망간의 전자 스핀 상태가 바뀌는 것을 밝히고, 이것이 자연계의 망간칼슘 클러스터의 핵심 작동원리와 유사함을 증명했다.

남기태 교수 연구팀에서 촉매 물질을 개발 및 합성하고 한국기초과학지원연구원의 김선희 박사 연구팀에서 EPR 분석으로 촉매 물질의 전자 스핀상태 변화 연구를 진행해, 세계 최초로 저스핀 망간 중간체 신호를 분석했다. 한국과학기술원의 김형준 교수 연구팀의 계산과학 연구를 통해 새롭게 개발된 뒤틀린 망간 산화물 나노 촉매에서 전자 스핀 상태가 제어될 수 있는 원리를 규명하였다.

연구팀이 개발한, 니켈이 도입된 망간 산화물 나노촉매는 기존 촉매에 비해 물 산화 효율을 2배 이상 향상시킬 수 있었다. 또한 본 연구에서 규명한 망간의 전자 스핀 상태 제어 원리는 물 산화 반응뿐 아니라, 이산화탄소 환원 등 다양하고 유용한 전기화학 반응들에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구의 책임자인 남기태 교수는 “본 성과는 세계 최초로 망간 비균질 촉매에 생체 촉매의 핵심 원리 중 하나인 전자 스핀 상태 제어 현상을 구현했다는 점에서 혁신적이며 추후 자연계 광합성의 이해를 도울 수 있는 중요한 결과 중 하나다. 값싸고 풍부하다는 장점을 가진 망간 나노입자의 물 산화 반응 경로 제어를 통해 추후, 물 분해를 통한 수소 생산 및 이산화탄소 환원을 통한 연료 생산 등 다양한 전기화학 촉매 분야에 활용될 수 있는 중요한 기술적 단초를 제공할 것이다”라고 밝혔다.

또한 김형준 교수는 “유기 금속 촉매의 화학 반응성 조절의 핵심 인자로 알려진 리간드 효과를 상업적으로 중요한 비균질 나노 촉매 소재에서 구현하는데 성공한 학문적인 의의가 높은 일이다”라고 본 연구의 의미를 밝혔다.

연구의 제1저자인 서울대학교 박승학,진경석 박사는 현재 각각 서울대학교에서 박사후 연구원, 고려대학교에서 조교수로 재직중이다. 본 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업(생체모방형 d-orbital 매니폴드 반응 제어 소재 연구단), 중견연구자 지원사업, 한국과학기술연구원 KIST-SNU Joint Research Lab, 산업통상자원부 소재부품기술개발사업, POSCO Science Fellowship (Post-Doc) 사업의 지원으로 수행되었다.

논문은 세계적인 국제학술지인 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>에 10월 16일자로 게재되었으며 네이처 커뮤니케이션즈 저널의 에디터가 임팩트 높은 결과들을 선정하는Editors’ Highlights에 소개되었다.

▲ 대표 사진 1. 이번 연구 결과 모식도. 망간 산화물 나노입자 기반의 촉매 물질에서, 전기화학 물산화 반응 도중 망간의 전자 스핀 상태가 제어되어 low-spin 상태를 최초로 발견한 결과이다.