국내 연구진, 4전자 산화환원 반응 촉매 개발…차세 대 에너 지 촉매 기대
국내 연구진이 일반적인 반응보다 두 배 많은 전자를 활용할 수 있는 4전자 산화환원 반응촉매를 개발해 주목받고 있다. 한국연구재단은 포항공과대학교 황승준 교수 연구팀이 주족원소인 인(P)을 기반으로 리간드의 협동 반응성을 활용해 4전자 산화환원 시스템을 구현했다고 밝혔다. 이번 연구는 전이금속 대신 매장량이 풍부하고 친환경적인 주족원소를 활용한 것이 특징으로, 평면화된 기하구조와 산화환원활성 리간드 도입이라는 혁신적인 접근법을 통해 추가적인 전자 수용을 가능하게 했다. 이 기술은 기존 전이금속 기반촉매의 한계를 극복하며 에너지 전환 촉매로 활용될 가능성을 열었다는 점에서 학계와 산업계의 큰 관심을 받고 있다. 황승준 교수는 “4전자 산화환원 반응은 연료전지 등 에너지 변환 기술의 핵심”이라며“ 추가 연구를 통해 촉매 구조를 정밀 분석하고 실용화 가능성을 높이겠다”고 밝혔다. 이번 연구는 화학 분야의 권위 있는 국제학술지 *미국화학회지(JACS)*에 게재되었으며, 다전자 산화환원반응 연구의 새로운 이정표로 평가받고 있다.
UNIST 연구진, 대기압에서도 수소 고밀도 저장 기술 개발
UNIST(울산과학기술원) 오현철 교수 연구팀이 대기압에서도 수소를 고밀도로 저장할 수 있는 혁신적인 기술을 개발했다. 연구팀은 수소화붕소와 마그네슘 금속 양이온을 결합해 나노다공성 복합 소재인 ‘수소화붕소마그네슘’을 제작, 기존 방식보다 2배 이상의 저장 밀도를 구현했다. 이 소재는 기공 부피당 144g/L의 수소를 저장할 수 있으며, 이는 기체 수소를 액체 상태로 저장하는 방식(70.8g/L)이나 고체상태(86g/L)보다도 뛰어난 밀도다. 기존 고압(700기압)이나극저온(－253℃) 저장 방식의 비효율성을 해결하며, 대중교통 등 수소 연료 기반 에너지 활용의 실용성을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 오 교수는 “이번 연구는 수소 저장 문제를 해결할 가능성을 제시하며, 수소 에너지의 효율성과 경제성을 크게 개선할 수 있는 중요한 발전”이라고 강조했다. 이번 연구는 화학 분야의 권위 있는 국제학술지 Nature Chemistry 에 게재되었으며, 미래 수소 사회 실현을 앞당길획기적인 성과로 주목받고 있다.
3. 연세대 김우재 교수팀, 양자 얽힘 상태의 다중 엑시톤 생성 메커니즘 규명
연세대학교 화학과 김우재 교수 연구팀이 미국 코넬대학교 화학 및 화학생물학과 Andrew J. Musser 연구팀과 공동 연
구를 통해 유기 반도체에서 양자 얽힘 상태의 다중 엑시톤이생성되는 새로운 모델을 제시했다. 이번 연구는 세계적 권위
를 자랑하는 종합 화학 분야 학술지 ‘네이쳐 케미스트리(Nature Chemistry, IF 19.2)’ 10월 호에 게재됐다. 기존 연구에
따르면, 다중 엑시톤 상태는 특정 유기 반도체 물질이 빛을 흡수한 후 ‘단일항 분열’ 과정을 거쳐서 형성된다고 알려져 있다. 하지만 김 교수팀은 초고속 분광 기술을 활용해, 이 상 태가 단일항 분열을 거치지 않고도 유기 반도체의 바닥 상태
에서 직접적으로 형성될 수 있음을 밝혀냈다. 이 발견은 유기 태양전지와 양자 정보 처리 분야에서 새로운 혁신을 가져올
것으로 기대된다.
빛을 흡수한 유기 반도체 물질이 형성하는‘삼중항 엑시톤쌍 형태의 다중 엑시톤’은 독특한 양자 상태이다. 이 삼중항 엑시톤 쌍은‘양자 얽힘’ 상태로, 양자 정보를 처리할 수 있는 두 개의 큐트릿(Qutrit) 역할을 하며 기존의 양자 정보 기술에
새로운 가능성을 열어 준다. 특히, 이 얽힘을 풀어 자유로운 삼중항 엑시톤 두 개로 바꾸면, 태양전지 효율을 제한하는‘쇼
클리-퀘이서(Shockley-Queisser) 한계’를 극복할 가능성도 있다. 단일항 분열 과정에서 빛을 받은 단일항 엑시톤이 삼중
항 쌍 다중 엑시톤으로 전환되는 첫 번째 과정이 다중 엑시톤 생성 효율을 결정한다. 즉, 다중 엑시톤 생성 효율은 이 전환
과정의 에너지와 상호작용에 따라 달라지며, 유기 반도체 분자의 구조 또한 중요한 요소로 작용한다. 이번 연구에서는 단
일항 엑시톤을 매개할 때 필연적으로 발생하는 에너지 손실과 생성 효율의 한계를 극복하기 위해, 유기 반도체의 바닥
상태에서 다중 엑시톤이 직접 생성되는 새로운 모델을 제시했다. 이 모델에 도입된 양자 상태인 전하 공명 상태는 삼중
항 쌍 다중 엑시톤 상태와 새로운 양자 중첩 상태를 구성하며, 다중 엑시톤 상태가 직접적으로 빛을 흡수할 수 있는 매개체 역할을 한다[그림]. 이러한 양자 중첩 상태의 중첩 지속성은 유기 물질의 구조나 용매의 유전율에 따라 다르게 나타난다. 전하 공명 상태와의 중첩을 통한 새로운 다중 엑시톤 생성 메커니즘은 다양한 펜타센 이량체와 박막에서 일반적으로 나타나는 현상으로 밝혀졌으며, 유기물의 구조를 조절함으로써 양자 중첩의 정도와 새로운 메커니즘의 발현 여부도 조절할 수 있음을 보여준다. 현재 연구팀은 이 양자 중첩 상태를 통해 보다 효율적으로 빛을 흡수하는 다중 엑시톤 상태를 발현하는 것을 목표로 확장된 유기 반도체 물질에서의 연구를 수행하고 있다.
김우재 연세대 화학과 교수는 “지금까지 삼중항 쌍 상태는 무조건 들뜬 단일항 상태를 거쳐야만 형성된다는 것이 학계
의 통설이었으나, 이번 연구는 바닥 상태의 유기 반도체가 빛을 흡수해 직접적으로 삼중항 쌍으로 전이되는 것이 가능함을 실험적으로 증명한 최초의 사례”라며, “적절한 분자 설계를통해 일반적으로 발생하지 않는 새로운 형태의 광물리 동역
학을 일으킬 수 있다.”고 연구 의의를 설명했다.
4. 이산화 탄소 포집의 게임 체인저, COF-999
올해는 환경과 에너지에 대한 우려와 관심이 유독 높았다. 삶으로 다가온 지구 온난화와 기후변동의 위협에서 문제의 심
각성을 이해하고 개선에 대한 의지가 강해지는 한 해였다. 환경 문제와 직관된 플라스틱의 재생 및 연료화를 위한 촉매나
과불화 화합물의 제거에 대해 여러 발견이 이어졌지만, 가장 큰 이슈가 되었던 것은 대기 중 이산화 탄소의 효과적인 흡착
을 보이는 신소재 COF-999에 한 표를 던지고 싶다.
공유결합 유기 구조체(Covalent Organic Framework, COF)는 전이금속의 사용 없이 가벼운 비금속 원소(H, C, N,
O)의 결합으로 이루어진 다공성 소재다. 다공성 구조와 더불어 내부에 배향된 폴리아민 구조를 통해 대기 중 이산화 탄소를 가역적 형성/분해가 가능한 카바메이트 carbamate 결합을 통해 흡착한다. 1시간 이내에 이론적 최대 흡수량의 80%
를 분리할 수 있으며, 60℃ 내외에서 배출 또한 가능하기 때문에 회수에 이은 재사용이 가능하다.
물론 COF의 높은 생산비용과 이산화 탄소 흡착과 분리를 위한 반복 작업이 실용화를 위한 난관으로 남아있지만, 직면한 문제의 해결책이 될 수 있는 새로운 첫 발견은 하나의 새로운 선택지가 될 수 있다. 더불어 금속 유기 골격체(Metal
Organic Framework, MOF)의 개발에 AI가 도입되고 있음을 고려한다면, COF-999를 바탕한 더 효과적인 온실 기체 제거신소재의 발견과 미래에의 적용은 머지않은 미래로 기대된다.
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