News Letter / 회원동정
남대현 교수 (고려대) 공동 연구팀, 구리 합금 촉매의 재건현상 원리 세계 최초로 밝혀내
▲ 본 연구에서 규명한 반응 중간체 흡착 특성과 금속 간 혼화성에 의해 결정되는 구리 이원계 합금 촉매의 재건 메커니즘 개념도 및 액상 투과전자현미경 분석을 통해 구리–은 합금 박막에서 전기화학 이산화탄소 환원 반응 중 발생하는 표면 나노입자의 형성과 성장 과정을 실시간으로 관찰한 결과
고려대학교(총장 김동원) 신소재공학부 남대현 교수, KU-KIST 융합대학원 백서인 교수 연구팀이 서울대학교 재료공학부 주영창 교수, 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀과 함께, 이산화탄소를 에탄올과 같은 고부가가치 물질로 환원시키는 전기화학 반응 과정에서 구리 합금 촉매의 표면 변화 메커니즘을 세계 최초로 규명했다.
본 연구 성과는 촉매 분야 최고 권위의 국제 학술지 ‘Nature Catalysis(IF=44.6)’ 온라인에 7월 14일 게재 됐으며, 표지 논문으로 선정됐다.
이산화탄소를 전기를 이용해 유용한 화합물로 바꾸는 기술은 탄소 중립 시대의 핵심으로, 구리 촉매가 중심 역할을 한다. 특히, 다른 금속을 섞은 구리 합금 촉매는 생성물의 선택성을 높이는 데 효과적이다. 그러나 반응 중 촉매 표면 구조가 달라지는 재건현상이 발생하면 설계와 실제 구조 간 차이로 성능 예측이 어려워지며, 합금 촉매의 경우 변화가 더 복잡하게 일어나 그 원인 규명이 쉽지 않았다.
이러한 현상의 원인을 밝히기 위해 연구팀은 다양한 구리 합금 촉매를 설계하고, 고전류 조건에서 표면 구조의 변화를 정밀 분석했다. 그 결과, 구리–은 촉매에서는 표면에 구리 나노입자가 새롭게 형성된 반면, 구리–아연 촉매는 처음 설계된 구조를 유지하는 차이를 보였다. 두 금속 모두 일산화탄소 생성 능력은 비슷했지만, 표면 구조 변화 방식에 따라 최종 생성물은 달랐다. 구리–은 촉매에서는 에탄올이 주로 생성됐고, 구리–아연 촉매에서는 일산화탄소가 더 많이 만들어졌다.
이어 연구팀은 투과전자현미경으로 구리 나노입자의 성장 과정을 실시간 관찰했다. 결과적으로, 특정 반응 물질이 촉매 표면에 달라붙으며 금속이 녹아 나왔다가 다시 붙는 ‘용출-재전착’ 과정이 표면 변화의 원인임을 밝혀냈다. 또한, 금속 원자의 배열 방식이 합금의 혼화성에 따라 달라짐을 확인했으며, 짧은 시간에 전압을 빠르게 변화시키는 펄스 전위법으로 표면 변화를 제어해 촉매 구조와 생성물 종류까지 조절할 수 있음을 입증했다.
*혼화성: 두 종류 이상의 물질이 서로 잘 섞여서 균일한 혼합물을 형성하려는 성질
*용출: 어떤 물질이 용매에 녹아 나오는 현상
*전착: 용액 속에 있는 물질이 전극에 부착되는 현상
고려대 남대현 교수는 “이번 연구는 예측이 어려웠던 재건현상을 체계적으로 규명한 최초의 사례”라며, “합성 조건에만 의존하던 기존의 촉매 설계에서 나아가, 실제 반응 환경에서의 변화까지 고려한 새로운 방향을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”라고 밝혔다.
▲ (상단 왼쪽부터) 고려대 이예서 석사과정(제1저자), 김하연 석박통합과정(제1저자), (하단 왼쪽부터) 고려대 첨단분자과학연구소 조민주 교수(교신저자), 화학과 박성남 교수(교신저자), 화학과 최동훈 교수(교신저자)
▲ [그림 2] 설명: 구리-은, 구리-아연 합금 촉매의 이산화탄소 환원 반응 전/후 표면 주사전자현미경 이미지 및 해당 촉매의 합금 조성비에 따른 이산화탄소 환원 촉매 성능
▲ 논문 표지 이미지
■ 논문정보
*논문명: Unveiling the reconstruction of copper bimetallic catalysts during CO2 electroreduction
*URL: https://doi.org/10.1038/s41929-025-01368-9
출처: 고려대학교 고대뉴스
남대현 교수 (고려대) 공동 연구팀, 구리 합금 촉매의 재건현상 원리 세계 최초로 밝혀내
▲ 본 연구에서 규명한 반응 중간체 흡착 특성과 금속 간 혼화성에 의해 결정되는 구리 이원계 합금 촉매의 재건 메커니즘 개념도 및 액상 투과전자현미경 분석을 통해 구리–은 합금 박막에서 전기화학 이산화탄소 환원 반응 중 발생하는 표면 나노입자의 형성과 성장 과정을 실시간으로 관찰한 결과
고려대학교(총장 김동원) 신소재공학부 남대현 교수, KU-KIST 융합대학원 백서인 교수 연구팀이 서울대학교 재료공학부 주영창 교수, 화학생물공학부 박정원 교수 연구팀과 함께, 이산화탄소를 에탄올과 같은 고부가가치 물질로 환원시키는 전기화학 반응 과정에서 구리 합금 촉매의 표면 변화 메커니즘을 세계 최초로 규명했다.
본 연구 성과는 촉매 분야 최고 권위의 국제 학술지 ‘Nature Catalysis(IF=44.6)’ 온라인에 7월 14일 게재 됐으며, 표지 논문으로 선정됐다.
이산화탄소를 전기를 이용해 유용한 화합물로 바꾸는 기술은 탄소 중립 시대의 핵심으로, 구리 촉매가 중심 역할을 한다. 특히, 다른 금속을 섞은 구리 합금 촉매는 생성물의 선택성을 높이는 데 효과적이다. 그러나 반응 중 촉매 표면 구조가 달라지는 재건현상이 발생하면 설계와 실제 구조 간 차이로 성능 예측이 어려워지며, 합금 촉매의 경우 변화가 더 복잡하게 일어나 그 원인 규명이 쉽지 않았다.
이러한 현상의 원인을 밝히기 위해 연구팀은 다양한 구리 합금 촉매를 설계하고, 고전류 조건에서 표면 구조의 변화를 정밀 분석했다. 그 결과, 구리–은 촉매에서는 표면에 구리 나노입자가 새롭게 형성된 반면, 구리–아연 촉매는 처음 설계된 구조를 유지하는 차이를 보였다. 두 금속 모두 일산화탄소 생성 능력은 비슷했지만, 표면 구조 변화 방식에 따라 최종 생성물은 달랐다. 구리–은 촉매에서는 에탄올이 주로 생성됐고, 구리–아연 촉매에서는 일산화탄소가 더 많이 만들어졌다.
이어 연구팀은 투과전자현미경으로 구리 나노입자의 성장 과정을 실시간 관찰했다. 결과적으로, 특정 반응 물질이 촉매 표면에 달라붙으며 금속이 녹아 나왔다가 다시 붙는 ‘용출-재전착’ 과정이 표면 변화의 원인임을 밝혀냈다. 또한, 금속 원자의 배열 방식이 합금의 혼화성에 따라 달라짐을 확인했으며, 짧은 시간에 전압을 빠르게 변화시키는 펄스 전위법으로 표면 변화를 제어해 촉매 구조와 생성물 종류까지 조절할 수 있음을 입증했다.
*혼화성: 두 종류 이상의 물질이 서로 잘 섞여서 균일한 혼합물을 형성하려는 성질
*용출: 어떤 물질이 용매에 녹아 나오는 현상
*전착: 용액 속에 있는 물질이 전극에 부착되는 현상
고려대 남대현 교수는 “이번 연구는 예측이 어려웠던 재건현상을 체계적으로 규명한 최초의 사례”라며, “합성 조건에만 의존하던 기존의 촉매 설계에서 나아가, 실제 반응 환경에서의 변화까지 고려한 새로운 방향을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”라고 밝혔다.
▲ (상단 왼쪽부터) 고려대 이예서 석사과정(제1저자), 김하연 석박통합과정(제1저자), (하단 왼쪽부터) 고려대 첨단분자과학연구소 조민주 교수(교신저자), 화학과 박성남 교수(교신저자), 화학과 최동훈 교수(교신저자)
▲ [그림 2] 설명: 구리-은, 구리-아연 합금 촉매의 이산화탄소 환원 반응 전/후 표면 주사전자현미경 이미지 및 해당 촉매의 합금 조성비에 따른 이산화탄소 환원 촉매 성능
▲ 논문 표지 이미지
■ 논문정보
*논문명: Unveiling the reconstruction of copper bimetallic catalysts during CO2 electroreduction
*URL: https://doi.org/10.1038/s41929-025-01368-9
출처: 고려대학교 고대뉴스