작은 입자, 큰 놀라움: 예상치 못한 촉매의 복잡성

비엔나 공과대학교 2023년 6월 7일

현미경으로 촉매작용. 첨단 현미경 기술을 사용하는 TU Wien 연구원들은 촉매 거동의 복잡한 복잡성을 발견했습니다. 이번 연구에서는 입자 크기, 지지 물질의 특성, 온도, 반응물 압력과 같은 요소가 촉매 활동에 중요한 역할을 한다는 사실을 발견했습니다. 개별 촉매 입자 내에서 중요한 국지적 변화의 발견은 보다 복잡한 공정과 개선된 촉매 개발에 대한 향후 연구에 정보를 제공할 것입니다. 크레딧: TU Wien

TU Wien의 과학자들은 현미경 기술을 사용하여 촉매의 화학 반응을 이전보다 더 정확하게 관찰하여 풍부한 세부 정보를 얻었습니다. 이를 통해 일부 효과를 예측할 수 없는 이유가 분명해졌습니다.

작은 금속 입자로 구성된 촉매는 연료 전지부터 에너지 저장용 합성 연료 생산에 이르기까지 다양한 기술 분야에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 촉매의 정확한 거동은 많은 세부 사항에 따라 달라지며 촉매의 상호작용은 종종 이해하기 어렵습니다. 정확히 동일한 촉매를 두 번 제조하는 경우에도 이 두 촉매가 미세한 측면에서 다르기 때문에 화학적으로 매우 다르게 작용하는 경우가 종종 발생합니다.

TU Wien의 과학자들은 여러 가지 현미경 기술을 적용하여 이러한 촉매의 다양한 위치에서 일어나는 촉매 반응을 이미지화함으로써 그러한 효과의 이유를 식별하려고 노력하고 있습니다. 이러한 접근 방식을 통해 촉매 과정을 신뢰할 수 있고 현미경으로 정확하게 이해할 수 있습니다.

그렇게 함으로써 상대적으로 "단순한" 촉매 시스템도 예상보다 더 복잡한 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 촉매 특성을 정의하는 것은 사용된 금속 입자의 크기나 지지체 재료의 화학적 특성뿐만이 아닙니다. 단일 금속 입자 내에서도 마이크로미터 규모에서는 다양한 시나리오가 우세할 수 있습니다. 수치 시뮬레이션과 결합하여 다양한 촉매의 거동을 설명하고 정확하게 예측할 수 있습니다.

수소와 산소를 물로 전환시키기 위해 9개의 서로 다른 촉매 설정이 사용되었습니다. 크레딧: TU Wien

"우리는 로듐 입자를 촉매로 사용하여 순수한 물을 형성하는 산소와 함께 가능한 미래 에너지 운반체 수소의 연소를 조사합니다"라고 TU Wien 소재 화학 연구소의 Günther Rupprechter 교수는 설명합니다. 이 과정에서는 다양한 매개변수가 중요한 역할을 합니다. 개별 로듐 입자의 크기는 얼마나 됩니까? 어떤 지원 자료에 바인딩됩니까? 어떤 온도와 어떤 반응물 압력에서 반응이 일어나는가?

"촉매는 지지된 로듐 입자로 만들어졌지만 과거에 자주 시도되었던 것처럼 몇 가지 간단한 매개변수로 설명할 수 있는 균일한 물체처럼 거동하지 않습니다"라고 Günther Rupprechter는 강조합니다. "촉매 거동이 촉매 위치에 따라 크게 다르다는 것이 곧 분명해졌습니다. 특정 로듐 입자의 특정 영역은 촉매 활성을 가질 수 있는 반면, 불과 마이크로미터 떨어진 다른 영역은 촉매 활성이 없을 수 있습니다. 그리고 몇 분 후, 상황이 역전됐을 수도 있다"고 말했다.

실험을 위해 권위 있는 저널 ACS Catalytic에 게재된 연구의 제1저자인 Philipp Winkler 박사는 다양한 크기의 금속 입자와 다양한 지지 물질을 갖춘 9개의 서로 다른 촉매로 구성된 놀라운 촉매 샘플을 준비했습니다. 따라서 전용 장치에서는 단일 실험으로 모든 촉매를 동시에 관찰하고 비교할 수 있습니다.

Philipp Winkler는 "현미경을 사용하면 촉매가 촉매적으로 활성인지, 화학적 조성 및 전자 특성이 샘플의 모든 개별 지점에 대해 확인될 수 있습니다."라고 말합니다. "반면, 전통적인 방법은 일반적으로 전체 샘플의 평균값을 측정합니다. 그러나 우리가 입증한 것처럼 이는 종종 충분하지 않습니다."

미세한 규모의 화학적 분석을 통해 촉매 구성이 예상보다 훨씬 더 국부적으로 달라질 수 있음이 나타났습니다. 개별 금속 입자 내에서도 강한 차이가 관찰되었습니다. Günther Rupprechter는 "지지 물질의 원자는 입자 위로 또는 입자 내부로 이동하거나 심지어 표면 합금을 형성할 수도 있습니다."라고 말합니다. "어떤 시점에서는 더 이상 명확한 경계가 없으며 오히려 촉매 입자와 지지체 물질 사이의 연속적인 전이가 발생합니다. 이 사실을 고려하는 것이 중요합니다. 이는 화학적 활성에도 영향을 미치기 때문입니다."