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- 전기화학적 특성을 변화시켜 다양한 반응을 촉진
- 희귀하고 값비싼 촉매를 대체하고 화학 물질이나 수소 생산을 촉진하는 데 도움
- 인가 전압의 크기에 따라 산화 알루미늄 층은 표면의 산도와 화학 공정의 반응 온도를 낮추는 능력을 변화

"카멜레온 촉매“
그래핀의 알루미나는 다양한 촉매의 특성을 가진다.

변경 가능한 속성:
미국 연구원들이 버튼 하나만 누르면 다양한 촉매의 특성을 취할 수 있는 코팅을 개발했다.
전원 공급 장치에 따라 실리콘 위의 산화알루미늄과 그래핀으로 구성된 "카멜레온 물질"은 전기화학적 특성을 변화시켜 다양한 반응을 촉진할 수 있다. 이것은 희귀하고 값비싼 촉매를 대체하고 화학 물질이나 수소 생산을 촉진하는 데 도움이 될 수 있다. 

▲ 전자적으로 제어 가능한 복합 재료는 전원 공급 장치에 따라 촉매 특성을 변경할 수 있다. © Onn et al./ Journal of the American Chemical Society, CC-by-nc-nd 4.0

물 분해, 대체 연료 생산 또는 중요한 화학 원료 합성 등 화학 분야에서 촉매 없이 작동하는 것은 거의 없다. 그들은 반응 파트너와 일시적인 유대를 형성하고 전자를 제공하거나 수락하여 서로에 대한 반응을 촉진한다. 특별한 전기화학적 특성으로 인해 루테늄, 백금, 팔라듐 또는 로듐과 같은 희귀하고 귀중한 금속이 종종 촉매로 사용된다.

세련된 레이어링

버튼을 누르면 이러한 고귀한 촉매의 특성을 취할 수 있는 "카멜레온 재료"를 사용하여 더 쉽고 저렴한 방법이 있을 수도 있다. 미네소타 대학의 Tzia Ming Onn과 그의 동료들은 특수한 전기화학적 특성을 가진 나노미터 두께의 층을 정교하게 조합하여 촉매적으로 전환 가능한 이 코팅을 개발했다.

카멜레온 코팅은 70나노미터 두께의 이산화 하프늄 유전층이 있는 실리콘 베이스로 구성된다. 그 위에 중요한 구성 요소로 얇은 그래핀 층이 있고 그 다음으로 두께가 4나노미터에 불과한 비정질로 만들어진 덮개층이 있다. "산화알루미늄은 산(酸) 매개 화학적 변형에 널리 사용되는 금속 촉매이다"라고 팀이 설명했다.

제어 가능한 전기화학적 특성

하이라이트는 이 코팅에 전류가 가해지면 재료 표면의 전자와 전자 정공의 분포와 전기화학적 특성이 변한다는 것이다. 따라서 기술적으로 말하면 연구원들은 레이어 구성을 "고밀도의 전자 밴드 갭 상태를 가진 오염된 반도체"라고 부른다. 인가되는 전압에 따라 결합된 물질은 다양한 기존 촉매의 특성을 채택할 수 있다.

수석 저자인 미네소타 대학의 Paul Dauenhauer는 "일반적으로 원자는 전자 수를 변경하기를 원하지 않지만 촉매 축전기를 통해 이 촉매 표면의 전자 수를 제어할 수 있다. 인가 전압의 크기에 따라 산화 알루미늄 층은 표면의 산도와 화학 공정의 반응 온도를 낮추는 능력을 변화 시켰다.

▲ "카멜레온 촉매"의 구조. © Onn et al./ Journal of the American Chemical Society, CC-by-nc-nd 4.0

촉매 작용을 위한 새로운 기회

과학자들에 따르면, 그들의 "카멜레온 물질"은 값비싸고 희귀한 금속 촉매를 대체하면서 화학 반응을 촉진할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. Dauenhauer는 "이는 화학 반응을 제어하고 귀금속과 같은 일반적인 재료가 반응하도록 하는 완전히 새로운 가능성을 제공한다"라고 말했다. 이것은 무엇보다도 재생 가능 에너지로부터 합성 연료를 생산할 때뿐만 아니라 보다 지속 가능한 재료를 생산하는 데에도 유용할 것이다.

Dauenhauer의 동료인 Dan Frisbie는 "촉매 콘덴서를 전체 생산 공정에 사용할 수 있는 플랫폼 기술로 보고 있다. "핵심 디자인과 구성 요소는 우리가 생각할 수 있는 거의 모든 화학 물질과 함께 작동하도록 수정할 수 있다." 이러한 응용 프로그램의 첫 번째 테스트는 이미 계획돼 있다.
(Journal of the American Chemical Society, 2022; doi:10.1021/jacsau.2c00114)
출처: 미네소타 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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