이산화탄소 전환과 대기오염 저감을 위한 고효율 기체상 촉매기술은 탄소중립 실현을 위한 핵심 전략으로 주목받고 있다.
그러나 기존 금속 촉매는 일산화탄소와 산소 등 반응물 흡착균형을 맞추기 어렵고 특정 반응물에 과도하게 흡착되는 문제가 있어 촉매 반응성을 저해하는 주요 원인이 됐다.
이에 백금 셀레나이드는 백금과 셀레늄이 층상 구조로 결합된 이차원 물질로, 우수한 결정성과 층간 상호작용의 정밀한 제어로 다양한 물리·화학적 특성을 조절 가능해 주목받고 있다.
대기오염 저감 신개념 원자촉매
KAIST가 백금 셀레나이드 표면에 존재하는 원자 수준의 백금이 기체반응에 대해 촉매로 기능할 수 있다는 새로운 설계 개념을 제시했다.
또 이를 통해 고효율 이산화탄소 전환과 일산화탄소 저감을 위한 차세대 기체상 촉매 기술의 가능성을 입증했다.
KAIST 화학과 박정영 석좌교수팀이 충남대 김현유 교수, 미국 센트럴플로리다대(UCF) 정연웅 교수팀과 공동연구로 이차원 전이금속 칼코겐화합물 백금 셀레나이드(PtSe₂) 표면에 노출된 백금원자를 활용해 우수한 일산화탄소 산화 성능을 구현했다.
공동연구진은 촉매 성능을 극대화하기 위해 기존 백금덩어리 촉매 형태에서 백금원자가 고밀도로 표면에 분산되도록 해 더 적은 양의 백금으로 더 많은 촉매반응을 유도하고, 표면 전자구조를 제어해 백금과 셀레늄 사이 전자 상호작용을 활발하게 일어나도록 유도했다.
이 과정으로 제작한 수 ㎚ 두께 백금 셀레나이드 박막은 동일 조건에서 일반 백금 박막보다 모든 온도범위에서 더 우수한 일산화탄소 산화 성능을 보였다.
특히 표면에서 일산화탄소와 산소가 골고루 비슷한 비율로 흡착돼 서로 반응할 기회가 높아졌고, 이로 인해 촉매 반응이 크게 향상됐다.
이런 성능향상 핵심은 ‘셀레늄 결손(Se-vacancy)’으로 인해 노출이 확대된 표면 백금원자들이 드러나면서 기체들이 붙을 수 있는 흡착점도 늘어났기 때문이다.
연구진은 해당 백금원자들이 실제 반응과정에서 흡착점으로 작용했다는 사실을 포항가속기연구소에서 수행한 ‘상압 엑스선 광전자분광(AP-XPS) 분석’으로 실시간 확인했다.
이 같은 고정밀 분석은 1㎚ 수준의 표면을 상압 환경에서 관찰할 수 있는 고도장비로 수행했다.
동시에 컴퓨터 시뮬레이션 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 백금 셀레나이드가 일반 백금과 다른 전자흐름 특성을 이론적으로 입증했다.
박 교수는 “이번 연구는 기존 백금 촉매와 다른 이차원 층상 구조의 백금 셀레나이드를 활용해 기체반응에 특화된 촉매 기능을 이끌어낸 새로운 설계 전략을 제시한 것”이라며 “백금과 셀레늄 사이 전자적 상호작용이 일산화탄소와 산소를 균형있게 흡착하는 반응 조건을 만들었고, 기존 백금보다 전체 온도 내에서 반응성이 높도록 설계해 실제 적용성을 향상시켜 원자단위 설계, 2차원 물질 플랫폼, 흡착조절 기술 등을 통해 고효율 촉매 반응 메커니즘을 구현했다”고 설명했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 화학과 한규호 박사, 충남대 신소재공학과 최혁 박사, 인하대 김종훈 교수가 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 지난 3일자에 게재됐다.
(논문명 : Enhanced catalytic activity on atomically dispersed PtSe₂ two-dimensional layers /※DOI: 10.1038/s41467-025-61320-0)
