POSTECH(포스텍) 화학과·첨단재료과학부 황승준 교수 연구팀이 값싸고 흔한 주족원소를 활용해 고성능 산소 활성화 반응을 구현하는 데 성공했다. 전이금속 기반 촉매가 주로 사용되던 기존 방식과 달리, 저렴하고 안정적인 인(P), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi) 등 주기율표 15족 원소를 통해 산소 반응성을 정교하게 제어할 수 있음을 입증한 이번 연구는 미국화학회가 발간하는 국제 학술지 JACS Au에 게재되며 학계의 주목을 받았다.

황승준 교수 연구팀은 해당 원소들을 중심으로 전자 구조를 정밀하게 설계할 수 있는 평면형 분자를 합성했다. 이 구조는 마치 평평한 무대 위에 반응 원소들을 배열하듯 구성되어, 반응 전후의 전자 이동 경로를 관찰하고 비교 분석하는 데 유리하다. 이를 통해 세 원소가 산소와 만나 보이는 반응성을 실험적으로 규명할 수 있었다.

실제로 인(P)은 산소 원자 두 개와 동시에 반응하는 높은 활성도를 보인 반면, 안티모니(Sb)와 비스무트(Bi)는 산소 원자 하나와만 선택적으로 반응해 흥미로운 대조를 이뤘다. 겉보기에는 비슷한 구조를 지녔지만 무게와 전자 구조 차이로 인해 전혀 다른 반응성을 보인 것이다.

연구팀은 여기에 그치지 않고, 'Hammett 분석'과 'pKa 계산'을 병행해 각 원소의 반응성을 수치화하는 데도 성공했다. 이는 원소 특성에 따른 반응 경향을 정량적으로 비교할 수 있는 기준점을 제시한 것으로, 향후 유사한 구조 설계나 새로운 촉매 개발에 있어 중요한 기초 데이터로 활용될 수 있다.

황승준 교수는 “이번 연구는 주기율표상 원소의 특성이 촉매 반응성에 미치는 영향을 구체적으로 입증한 사례”라며, “고가의 전이금속 없이도 산소 활성화를 정밀하게 조절할 수 있다는 점에서 산업적으로도 큰 가능성을 지닌다”고 밝혔다. 그는 또한 “값싼 원소로 고성능 촉매를 설계함으로써 화학 및 환경 관련 산업에서 비용 절감과 친환경 기술 개발에 기여할 수 있기를 기대한다”고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업과 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행되었다. POSTECH 황승준 교수팀의 이번 성과는 값비싼 전이금속 의존도를 줄이면서도 정밀한 산소 반응 조절이 가능한 새로운 길을 열었다는 점에서, 촉매화학 및 친환경 소재 개발 분야에서 의미 있는 이정표가 될 전망이다.

[발췌: 전자신문]