[더리포트=이진수기자] 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 지구상에서 가장 풍부한 소재 중 하나인 셀룰로오스를 이용하여 금속 종류와 금속의 원자 개수에 상관없이 나노입자의 고밀도화가 가능한 플랫폼 소재를 구현했다고 30일 밝혔다.

​기능성복합소재연구센터 정현수 책임연구원 연구팀이 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 정희태 교수 연구팀과의 공동연구를 통한 성과다. 

한국과학기술연구원에 따르면 나노기술과 촉매를 접목할 경우 촉매 반응의 활성과 선택도를 높일 수 있으므로 전 세계적으로 다양한 금속 나노입자 촉매 합성법에 관한 연구가 활발하다. 

수 시간이 소요되는 기존 나노입자 합성법과 비교하여, 최근 보고된 탄소열충격법(CTS)을 사용하면 균일한 크기와 높은 안정성을 가지는 금속나노입자들을 수 초 안에 전도성 소재기판 위에 낮은 에너지로 형성하는 것이 가능하다.

CTS법은 기존에 보고된 촉매 합성법보다 고효율·고품질 합성법으로 주목받고 있으나, 밀도가 전반적으로 낮고 금속 종류에 따라 편차가 심한 단점이 있다. 금속 나노입자의 밀도가 낮으면 촉매의 성능이 떨어질 뿐만 아니라 촉매 외 다른 부위가 노출되기 쉬워 부반응이 일어나는 치명적 단점이 있어 고부가가치 반응 응용에 한계가 있었다.

공동연구팀은 CTS 공정시 금속나노입자를 만드는데 필수라고 여겨졌던 전도성 기판소재를 비전도성 셀룰로오스로 대체하였다. 

기존 연구들은 전도성 탄소 소재의 표면개질을 통해 표면 산소기능기를 더 늘려가는 방향으로 금속나노입자의 밀도를 높게 만들었지만, 이번 연구에서는 처음부터 표면에 산소기능기가 풍부하나 비전도성을 가지는 셀룰로오스를 순간적으로 탄화하여 전도성을 확보하였다.

KIST 연구진은 셀룰로오스를 기판소재로 활용하여 1.5초 만에 80% 이상 고밀도를 갖는 금속나노입자를 제조하였다. 연구진이 개발한 플랫폼은 CTS 공정 중 셀룰로오스의 탄화 과정에서 형성되는 카본 나노 클러스터를 다결함 구조로 만들어 1.5초 만에 금속 원자의 종류(귀금속, 비귀금속) 와 개수(단일, 다성분계)에 상관없이 시도한 모든 나노입자를 고밀도로 형성했다.

해당 플랫폼은 기존에는 금속원자가 30% 미만 저밀도로 형성되어 부반응이 일어나 시도하지 못했던 이산화탄소 전환공정에 적용할 수 있다. 고밀도면서 비귀금속인 구리 나노입자를 촉매로 적용한 결과, CTS 합성법을 이용하여 이산화탄소를 고부가가치 청정연료인 에틸렌으로 전환하는데 최초로 성공하였다.

KIST 정현수 박사는 “원하는 금속 원자의 종류와 개수대로 고밀도 금속 나노입자를 제조할수 있기 때문에 높은 경제성을 가지면서, 이산화탄소 및 질소전환과 같은 탄소중립 혹은 배터리와 같은 에너지 분야 등에 포괄적으로 적용”할 수 있다고 밝혔다. 또한 “공정 면에서 높은 경제성을 갖는 전기 촉매용 플랫폼 시스템을 지구상에서 가장 풍부한 셀룰로오스를 통해 구현할 수 있다”고 의의를 밝혔다.

​이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 ‘Science Advances’ (IF: 14.136, JCR 분야 상위 6.164%) 최신 호에 게재되었다.