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| 연구진 사진. 왼쪽부터 서울시립대학교 천승현 학생, 충남대학교 고명범 학생, 서울시립대학교 임예늘 학생, 경희대학교 신혜영 교수, 서울시립대학교 이효선 교수 |
서울시립대학교(총장 원용걸) 신소재공학과 이효선 교수 연구팀이 김현식 교수 연구팀, 경희대학교 신혜영 교수 연구팀 등과 공동으로 페로브스카이트 산화물의 차원적 구조가 금-산화물 계면 전자구조와 이산화탄소 환원 성능에 미치는 영향을 규명했다. 이번 연구는 산화물 지지체의 구조적 특성을 활용한 촉매 계면 설계의 새로운 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다.
전기화학적 이산화탄소 환원 반응(CO2RR)은 이산화탄소를 일산화탄소(CO) 등 유용한 화학물질로 전환하는 기술로, 탄소 자원화 및 친환경 화학공정 구현을 위한 주요 연구 분야다. 반응 효율과 생성물 선택성을 높이기 위해 금속-산화물 계면을 제어하는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 산화물 지지체의 차원적 구조가 계면 전자구조와 촉매 반응에 미치는 영향은 충분히 밝혀지지 않았다.
연구팀은 2차원과 3차원 페로브스카이트 산화물에 각각 금 나노입자를 담지한 촉매를 제작하고, 지지체 구조에 따른 계면 특성과 이산화탄소 환원 성능을 비교 분석했다. 그 결과, 2차원 산화물 기반 촉매가 3차원 산화물 기반 촉매보다 높은 일산화탄소 생성 선택성을 나타냈다. 이를 통해 산화물 지지체의 차원적 구조가 촉매 반응 특성에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 확인했다.
금속-산화물 계면의 전자구조를 분석한 결과, 2차원 산화물에 담지된 금 나노입자에서는 부분적으로 양전하를 띠는 금(Auδ+) 성분의 비율이 상대적으로 높게 나타났으며, 금과 산화물 사이의 계면 전하 재분포도 더욱 뚜렷하게 나타났다. 이는 산화물의 차원적 구조에 따라 금속-산화물 계면의 전자적 상호작용이 달라지며, 이러한 변화가 일산화탄소 생성에 관여하는 반응 중간체를 안정화하고 촉매 선택성을 향상하는 데 기여할 수 있음을 제시한다.
이번 연구는 산화물 지지체가 단순히 금 나노입자를 지지하는 역할을 넘어, 계면 전자구조와 촉매 반응을 조절하는 중요한 요소임을 보여준다. 특히 지지체의 차원적 구조를 금속-산화물 계면 설계의 주요 변수로 활용할 수 있음을 확인함으로써, 향후 이산화탄소 전환을 비롯한 다양한 전기화학 촉매 개발에 새로운 설계 방향을 제공할 것으로 기대된다.
이번 연구 결과는 나노과학 및 나노기술 분야의 국제학술지 Small (IF: 11.9)에 2026년 10월 13일 게재됐다.
본 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
