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

한국연구재단(이사장 이광복)은 황승준 교수(포항공과대학교) 연구팀이 주족원소인 인(P)을 기반으로 한 촉매의 리간드 협동 반응성을 통해 4전자 산화환원 촉매 시스템을 구현했다고 16일 밝혔다.

화학반응에서의 가용 전자 수는 반응 메커니즘과 생성물을 좌우하는 중요한 요소다. 전자 수가 많을수록 화합물을 만들기에 유용한데, 여기에는 반응을 매개할 수 있는 촉매가 꼭 필요하다. 현재 널리 이용되고 있는 전이금속 기반 촉매는 지각 내 매장량이 적고 독성이 있어 양적으로 풍부한 원소를 기반으로 한 친환경적이면서도 안전한 촉매개발이 필요한 실정이다.

연구팀은 전이금속 대신 매장량이 많고 친환경적인 주족원소 인(P)을 활용, ‘기하구조 변형’과 ‘인-리간드 산화환원 협동과정’ 등 두 가지 핵심 전략을 사용해 4전자 산화환원 반응을 구현했다.

기존 연구에 따르면 주족원소 화합물의 경우 기하구조를 평면 형태로 바꾸면 원자간 상호작용 변화로 인해 전이금속과 유사한 반응성을 나타낼 수 있음이 밝혀진 바 있다.

이에 연구팀은 먼저 기존의 2전자 산화환원 반응성 인 화합물의 기하구조를 평면화해 반응성을 높였다. 여기에 전자를 저장할 수 있는 산화환원 활성 리간드를 도입해 전자적 교류가 가능한 형태의 촉매를 설계함으로써, 추가적인 2전자를 리간드로부터 받아와 총 4전자 산화환원 반응을 구현해 낼 수 있었다.

연구팀 설명에 따르면 현재까지 균일계 촉매 시스템에서 단일 원소 중심의 4전자 산화환원 반응은 보고된 바가 거의 없다. 따라서 본 연구에서 구현한 4전자 산화환원 반응성에 대한 새로운 접근법은 기존에 정체되어 있던 주족

원소 촉매에서의 다전자 산화환원 반응 연구에 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다.

황승준 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.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구(우수신진)사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학분야 국제학술지 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)에 4월 10일 온라인 게재됐다.

[전국매일신문] 대전/ 정은모기자
J-em@jeonmae.co.kr

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