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- CO2 전환 및 수소 생산에 매우 효과적인 촉매 역할을 할 수 있어
- 이 단일층의 금 원자에 결합을 위한 두 개의 자유 "팔"이 있다.
- 단일층 금은 일반 금보다 훨씬 더 반응성이 높으며 새로운 전기적 특성 지녀
- 금은 미래에 정수, 전자 제품 및 기타 여러 분야에서 유용할 수도 있다.

세계에서 가장 얇은 금층 생산
처음으로 화학자들은 단일 원자층에서 금층을 생산했다.

웨이퍼처럼 얇은 보물:
화학자들은 단 하나의 금 원자층으로 구성된 2차원 금층을 만드는 데 처음으로 성공했다. 그래핀과 유사하게 "황금"이라고 불리는 이 2차원 금도 새로운 특성을 가지고 있다. 무엇보다도 팀이 저널 "nature synthesis"에서 보고한 것처럼 CO2 전환 및 수소 생산에 매우 효과적인 촉매 역할을 할 수 있다. 그들은 우연의 일치로 2차원 금을 생산하는 방법을 발견했다. 

▲ 이 금층은 단 하나의 금 원자 층으로 구성됐다. 이는 최초의 2차원 금박이다. © Kashiwaya et al./ Nature Synthesis, CC-by 4.0

금은 자연적으로 특별한 특성을 갖고 있다. 즉, 내구성과 반응성이 뛰어나며 쉽게 가단성이면서도 안정적이다. 금을 작은 단위로 분해하면 상황이 더욱 흥미로워진다. 금 나노 입자로서 귀금속은 때로는 이국적이고 새로운 능력을 추가로 갖는다. 거의 모든 방사선을 흡수하고, 이산화탄소를 변환하며, 수소 생산을 촉진하는 효율적인 촉매 역할을 할 수 있다. 금 나노입자는 이미 의학에서도 사용되고 있다.

금은 2D에서도 작동하나요?

그러나 금의 한 가지 변형은 이전에 빠졌다. 바로 원자 1개의 두께에 불과한 2차원 층이다. 그래핀의 2차원 탄소 격자와 유사하게 이 2차원 금을 "황금"이라고 한다. 이 단일층의 금 원자에는 결합을 위한 두 개의 자유 "팔"이 있기 때문에 단일층 금은 일반 금보다 훨씬 더 반응성이 높으며 새로운 전기적 특성도 가져야 한다.

▲ 연구 결과 요약도

"만약 재료를 극도로 얇게 만들면 그래핀과 같은 특별한 일이 발생한다"고 스웨덴 Linköping 대학의 수석 저자 Shun Kashiwaya는 설명했다. “금도 마찬가지다. 금은 일반적으로 금속이지만, 예를 들어 금 원자의 단일층은 반도체가 될 수 있다. 지금까지 화학자들은 금 원자가 서로 뭉치는 것을 선호하기 때문에 그러한 2D 금 층을 생성하는 데 실패했다. 그러나 2019년에는 적어도 원자 두 개 두께의 금박을 생산하는 것이 가능해졌다.

실험실에서 우연히 발견

이제 마침내 달성되었다. Kashiwaya 팀은 우연히 2차원 금을 생산하는 방법을 처음으로 발견했다. "우리는 실제로 완전히 다른 목표를 염두에 두고 소스 자료를 만들었다"고 Linköping University의 수석 저자 Lars Hultman이 말했다. 실리콘과 탄소가 교대로 층으로 이루어진 결정인 탄화규소는 전기 전도성 세라믹인 티타늄과 함께 사용됐다. 화학자들은 탄화규소를 금으로 코팅하여 접촉 표면을 만들고자 했다.

“그러나 이 조합을 더 높은 온도에 노출시키면 재료 내부의 실리콘 층이 금으로 대체되었다”고 Hultman은 말했다. 그 결과, 두 개의 티타늄 층(티타늄 금 탄화물) 사이에 단 하나의 원자 두께인 금층이 탄생했다.

▲ 결함이 없는 골든 단층의 계획 및 측면 정사영도. 300 K에서 AIMD 시뮬레이션에 사용된 Supercell 모델. 결정학적 축은 다음과 같다. Au(111) 단층에 비해. 눈에 보이는 Au-Au 결합의 길이는 ≤3.6 Å이다. (출처:관련논문 Synthesis of goldene comprising single-atom layer gold / nature synthesis. 16.April.2024)

일본 대장장이 레시피

그러나 이로 인해 티타늄-탄소 코팅에서 이 금층을 어떻게 제거할 것인가에 대한 의문이 제기됐다. 이때, 100년이 넘은 일본 대장장이들이 사용했던 기술이 연구원들을 구출하게 됐다. 이들은 소위 무라카미(Murakami) 시약이라고 불리는 특수 에칭제를 사용해 칼과 칼날의 강철에 있는 탄소 잔류물을 에칭한다. 시약은 페리시안화칼륨과 수산화칼륨의 혼합물로 구성됐다.

"저는 다양한 농도의 Murakami 시약을 시험해보고 며칠, 몇 주, 몇 달 등 다양한 기간 그대로 두었다"고 Kashiwaya는 말했다. "우리는 에칭 공정이 오래 지속되고 용액의 농도가 약할수록 결과가 더 좋다는 것을 발견했다. 그러나 "샌드위치"에서 금층을 분리하려면 팀이 알아낸 것처럼 추가적인 트릭이 필요했다. 에칭 반응은 완전한 어둠 속에서 이루어져야 한다. 이것이 용액이 동시에 금을 녹이는 것을 방지하는 유일한 방법이다.

그리고 마침내 시간이 왔다. 단일 층의 금이 노출되었다. "금은 우유 속의 콘플레이크처럼 용액에 떠다닌다"고 Kashiwaya는 설명했다. “그런 다음 우리는 일종의 체를 사용하여 금층을 포착하고 전자현미경으로 검사할 수 있었다. 그것은 우리가 실제로 해냈다는 것을 확인시켜주었다.”

▲ 티타늄 금 탄화물에서 금으로 가는 길. 위는 전자 현미경 이미지이고 아래는 다이어그램이다. © Kashiwaya 외./ nature synthesis, CC-by 4.0

이국적인 특성과 새로운 응용

처음으로 단 한 원자층 두께의 금박을 생산하는 것이 가능해졌다. 이러한 2D 층이 말리거나 재조립되는 것을 방지하기 위해 화학자들은 긴 사슬 계면활성제를 사용하여 층을 안정화했다. "원칙적인 시뮬레이션에서는 2차원 황금이 원칙적으로 안정적이라는 것을 보여주었지만, 실험에서는 이 계면활성제에 의해 방지될 수 있는 주름과 응집이 나타났다"고 팀은 보고했다.

새로운 2D 모양의 금은 이제 그래핀과 유사한 특이한 특성을 보여 새로운 응용이 가능해졌다. 여기에는 CO2의 분해와 다른 분자로의 전환뿐만 아니라 포름산이나 물을 분해하여 수소를 촉매적으로 생산하는 것도 포함된다. 화학자들이 설명하는 것처럼 금은 미래에 정수, 전자 제품 및 기타 여러 분야에서 유용할 수도 있다.
(Nature Synthesis, 2024; doi: 10.1038/s44160-024-00518-4)
출처: Linköping University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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