국내 연구진이 일반적인 산화환원 반응의 가용 전자 수보다 2배 많은 4전자 산화환원 반응 촉매를 개발했다. 

한국연구재단은 포항공대 황승준 교수팀이 인(P)을 기반으로 촉매의 리간드 협동 반응성을 통해 4전자 산화환원 촉매시스템을 구현했다고 16일 밝혔다. 

현재까지 균일계 촉매 시스템에서 단일원소 중심의 4전자 산화환원 반응은 보고된 바 없다. 

이번 연구결과는 지금까지 제한됐던 주족원소 기반 촉매의 반응성 확장에 크게 기여하는 것으로, 특히 산소의 4전자 환원 반응은 연료전지의 핵심 이어서 향후 에너지 변환 촉매로 활용 가능성도 기대할 수 있게 됐다.

화학반응에서 가용 전자 수는 반응 메커니즘과 생성물을 좌우하는 핵심 요소다.

전자 수가 많을수록 화합물을 만들기 유용한데, 이 때 반응을 매개할 수 있는 촉매가 꼭 필요하다. 

현재 널리 이용되는 전이금속 기반 촉매는 망간, 코발트, 아연, 카드뮴 등 지각 내 매장량이 적고 독성이 있기 때문에 양적으로 풍부한 원소이면서 친환경적인 촉매 개발이 필요하다.

연구팀은 전이금속 대신 매장량이 많고 친환경적인 주족원소 인으로 ‘기하구조 변형’과 ‘인-리간드 산화환원 협동과정’ 등 두 가지 핵심 전략을 적용해 4전자 산화환원 반응을 구현했다. 리간드는 화합물 중심금속 이온 주위에 결합한 분자나 이온이다.

주족원소 화합물 기하구조를 평면 형태로 바꾸면 원자간 상호작용 변화로 전이금속과 유사한 반응성을 나타낼 수 있다.

이에 연구팀은 기존 2전자 산화환원 반응성 인 화합물의 기하구조를 평면화해 반응성을 높였다. 

여기에 전자를 저장할 수 있는 산화환원 활성 리간드를 도입해 전자적 교류가 가능한 형태의 촉매를 설계, 추가적인 2전자를 리간드로부터 받아와 총 4전자 산화환원 반응을 구현했다.

연구팀이 구현한 4전자 산화환원 반응성에 대한 새로운 접근법은 정체됐던 주족원소 촉매의 다전자 산화환원 반응 연구에 중요한 이정표가 될 전망이다.

황 교수는 “4전자 산화환원 반응은 연료전지의 핵심 반응으로, 에너지 변환 촉매로의 활용 가능성도 기대할 수 있다”며 “후속 연구를 통해 구체적인 구조분석을 진행할 계획”이라고 말했다. 

한편 이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS’에 4월 10일자 온라인판에 게재됐다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com