[쿠키과학] ‘배터리·연료전지 효율↑’… KAIST, 저마늄 기반 촉매 원천기술 개발

배터리와 연료전지의 성능을 좌우하는 산소 반응을 원하는 방향으로 조절하는 길이 열렸다.

KAIST 화학과 황승준 교수팀은 저마늄과 전자를 저장·전달하는 분자 구조를 결합해 산소 반응에서 전자 이동 경로를 선택적으로 제어하는 원리를 세계 최초로 규명했다.

산소환원 반응은 배터리, 연료전지 등 에너지 변환 장치와 친환경 화학 공정 효율을 결정하는 핵심 요소다.

지금까지 과학계는 산소 반응을 제어하는 촉매로 철이나 코발트, 니켈 등 여러 전자를 쉽게 주고받는 전이금속을 주로 활용했다.

하지만 전이금속은 가격이 비싸고 독성을 띠며 잔류 금속 문제를 일으키는 고질적인 단점이 있다.

반면 주기율표상 규소와 같은 주족 원소에 속하는 저마늄은 구조상 여러 전자가 동시에 이동하는 복잡한 산소 다전자 환원 반응을 스스로 유도하지 못하는 한계를 보였다.

연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 금속 중심이 아닌 리간드에 주목했다.

산화·환원 활성 리간드는 단순히 중심 원소를 지지하는 역할을 넘어 전자를 저장하고 전달하는 분자 구조다.

연구팀은 이를 활용해 저마늄에 결합한 새로운 분자 시스템을 설계했다.

이 시스템에서 저마늄은 산소 분자와 직접 결합하고 끊어내는 역할을 맡고, 리간드는 전자 흐름과 양을 제어하는 회로 역할을 수행한다.

연구팀은 두 요소가 유기적으로 협력토록 유도해 주족 원소로도 전이금속과 유사한 다전자 반응을 성공적으로 구현했다.

산소는 반응할 때 이동하는 전자 수에 따라 전혀 다른 물질을 만든다.

2개 전자가 이동하는 2전자 반응은 산소 결합을 유지한 채 과산화수소를 만들고, 4전자 반응은 산소 결합을 완전히 끊어 물을 생성한다.

연구팀은 단일 분자 플랫폼에서 이 두 가지 반응을 필요에 따라 유연하게 전환했다.

특히 저마늄 전구체에 아이오도메테인을 반응시켜 4전자 경로를 막고 2전자 반응만 선택적으로 유도하는 ‘2전자 가림‘ 전략을 새로 적용했다.

이 과정에서 반응 중간 단계에 아주 잠깐 나타났다 사라지는 2전자 산화 상태 퍼옥사이드형 저마늄 중간체를 안정적으로 분리하고 관찰했다.

이는 단일 저마늄 원자가 전자를 주는 친핵체와 전자를 받는 친전자체 역할을 동시에 수행하는 매우 드문 양쪽성 반응성을 실험으로 증명한 결과다.

또 연구팀은 새로 개발한 저마늄 복합체를 활용해 빛이나 높은 열 없이 상온에서도 유기화합물 속 할로겐 원자를 떼어내는 탈할로겐화 반응을 확인했다.

이를 통해 의약품이나 플라스틱 원료로 널리 쓰는 알켄(을 온화한 조건에서 고효율로 생산할 수 있음을 증명했다.

이는 값비싼 전이금속을 대체해 친환경적이고 경제적인 화학 물질 생산 공정을 구축할 수 있다.

황 교수는 "이번 연구는 전자 전달 경로를 분자 설계만으로 선택적으로 제어할 수 있다는 새로운 가능성을 확인한 것“이라며 ”단일 분자 구조 안에서 원하는 생성물에 맞춰 전자 전달 경로를 선택하는 새로운 설계 패러다임을 통해 차세대 연료전지와 고효율 배터리, 친환경 화학공정 혁신을 앞당길 것으로 기대된다"고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 화학과 김성규·오진록 박사후연구원, POSTECH 화학과 최대의 석·박사통합과정이 참여했고, 연구결과는 지난 6일 국제학술지 ‘Chem’에 게재됐다.
(논문명: Germanium ligand redox cooperativity: A key to ambiphilicity and switchable two- and four-electron transfer)

이재형 기자 jh@kukinews.com