KAIST, 원자 한 층으로 공기 정화한다 – 차세대 이차원 촉매 설계로 대기오염 저감 앞당겨

PtSe₂ 기반의 신개념 원자 촉매 구현… 온도 전 범위서 일산화탄소 산화 성능 향상 입증

KAIST가 초정밀 원자 설계를 기반으로 한 차세대 촉매 기술을 개발하며, 대기오염 저감 및 탄소중립 실현을 향한 새로운 전기를 열었다. 화학과 박정영 석좌교수 연구팀은 이차원 전이금속 화합물(PtSe₂)을 기반으로 기존 백금 촉매의 한계를 극복한 고효율 기체 반응 촉매 시스템을 선보였으며, 연구 성과는 세계적 권위의 저널 『Nature Communications』에 게재됐다.

기존 백금 기반 촉매는 일산화탄소(CO)와 산소(O₂) 반응에서 특정 기체가 과도하게 흡착되는 불균형 현상으로 인해 효율이 제한돼 왔다. 이를 해결하기 위해 KAIST-충남대-UCF 공동 연구팀은 이차원 물질인 백금 셀레나이드(PtSe₂)의 표면 구조를 활용했다. 특히 표면에 노출된 ‘원자 단위 백금’이 반응성 기체의 균형 잡힌 흡착을 유도함으로써, 기존 촉매 대비 전 온도 범위에서 반응 효율을 크게 향상시켰다.

핵심은 ‘셀레늄 결손(Se-vacancy)’을 통해 백금 원자가 표면에 노출되고, 이 원자들이 기체 분자의 흡착점으로 작용한다는 점이다. 이 과정을 통해 산소와 일산화탄소가 표면에 거의 동일한 비율로 흡착되고, 이로 인해 산화 반응이 극대화된다.

연구진은 포항가속기연구소의 상압 엑스선 광전자분광(AP-XPS)을 통해 PtSe₂ 촉매의 반응 과정을 실시간으로 시각화했다. 촉매 반응 중에도 활성점이 어떻게 작동하는지를 나노미터 수준에서 확인함으로써, 기존의 ‘검증 불가 영역’이었던 반응 실증을 과학적으로 입증했다. 또한 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 Pt–Se 결합의 전자 흐름을 분석하고, 전자 구조 변화가 촉매 활성에 어떤 영향을 주는지를 이론적으로도 규명했다.

탄소중립 실현을 위한 ‘이차원 촉매 플랫폼’의 가능성

박정영 교수는 “이번 연구는 단순히 성능이 우수한 촉매 개발에 그치지 않고, 원자 수준의 설계와 이론–실험 융합을 통해 이차원 물질을 활용한 고도화된 촉매 메커니즘을 구현한 것”이라고 밝혔다. 그는 특히 “PtSe₂뿐 아니라 다른 전이금속 칼코겐화합물로도 일반화 가능한 전략”이라며, 다양한 기체 반응에서의 확장성을 강조했다. 이 기술은 온실가스 전환, 배기가스 정화, 연료전지 등 기체 반응이 핵심인 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 고가의 백금 사용량을 줄이면서도 반응 효율을 높일 수 있는 대안으로 주목받고 있다.

이번 연구는 KAIST 화학과 한규호 박사, 충남대 최혁 박사, 인하대 김종훈 교수가 공동 제1저자로 참여했으며, UCF(미국 센트럴플로리다대) 정연웅 교수, 충남대 김현유 교수, KAIST 박정영 교수가 공동 교신저자로 협업했다. 연구는 과기정통부 중견연구자지원사업, 교육부 중점연구소사업, NSF 및 국가전략기술소재개발사업 등의 지원을 받았다.

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