황승준 교수팀, 2전자·4전자 반응 선택 조절 원리 규명… 배터리·연료전지·친환경 촉매 설계 가능성 제시
KAIST 화학과 황승준 교수 연구팀이 산소 반응에서 전자가 이동하는 경로를 선택적으로 제어할 수 있는 새로운 분자 시스템을 개발했다. KAIST는 황 교수 연구팀이 저마늄과 산화·환원 활성 리간드를 결합해 산소 반응에서 전자가 이동하는 방식을 선택적으로 조절할 수 있는 원리를 규명했다고 밝혔다. 이번 연구는 산소 반응을 원하는 방향으로 유도하는 차세대 촉매 설계 원리를 제시했다는 점에서 배터리, 연료전지, 친환경 화학 공정 분야의 활용 가능성이 제시된다.
산소 반응을 제어하는 촉매는 그동안 철, 코발트, 니켈 등 여러 전자를 주고받을 수 있는 전이금속을 중심으로 개발돼 왔다. 반면 저마늄은 규소와 같은 계열에 속하는 주족 원소로, 여러 전자가 동시에 이동하는 복잡한 반응을 구현하기 어려운 원소로 여겨져 왔다.
연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 저마늄에 전자를 저장하거나 전달할 수 있는 분자 구조인 산화·환원 활성 리간드를 결합했다. 산소는 반응 과정에서 전자가 2개 이동하는지, 4개 이동하는지에 따라 생성물과 반응 결과가 달라진다. 대표적으로 2전자 반응에서는 과산화수소가, 4전자 반응에서는 물이 생성된다. 따라서 목적에 따라 2전자 반응과 4전자 반응을 선택적으로 제어하는 기술은 배터리, 연료전지, 친환경 촉매 개발에서 중요한 과제로 꼽혀 왔다.
이번 연구는 전이금속에서 주로 가능하다고 여겨졌던 2전자·4전자 반응을 저마늄과 같은 주족 원소에서도 구현할 수 있음을 보인 성과다. 연구팀은 하나의 저마늄 기반 분자 시스템 안에서 2전자 반응과 4전자 반응을 필요에 따라 선택적으로 유도할 수 있음을 입증했다. 이를 통해 기존에 전이금속에 의존하던 촉매 설계를 다양한 원소 기반으로 확장할 수 있는 가능성을 제시했다.
또한 연구팀은 반응 과정에서 잠시 생성됐다가 사라지는 2전자 산화 상태의 저마늄 중간체를 안정적으로 분리하는 데도 성공했다. 이 중간체는 하나의 저마늄 원자가 전자를 주는 역할과 받는 역할을 모두 수행하는 특성을 보였으며, 연구팀은 이를 통해 저마늄 기반 산소 반응이 일어나는 원리를 이해할 수 있는 단서를 확보했다.
연구팀은 개발한 저마늄 복합체의 실제 활용 가능성도 확인했다. 저마늄 복합체는 상온에서 빛을 사용하지 않고도 염소나 브로민 같은 할로겐 원자가 붙은 유기화합물에서 할로겐을 제거할 수 있었다.
이를 통해 의약품과 플라스틱 등 다양한 화학제품의 원료로 활용되는 알켄을 다시 만들 수 있음을 입증했다. 연구팀은 높은 온도나 복잡한 공정 없이 유용한 화학 원료를 보다 친환경적이고 에너지 효율이 높은 방식으로 생산할 수 있는 가능성을 보여준 결과라고 설명했다.
황승준 교수는 “이번 연구는 전이금속에 의존하던 촉매 반응을 저마늄과 같은 주족 원소로도 구현할 수 있음을 보여준 성과”라며 “앞으로 배터리와 연료전지의 성능을 높이는 것은 물론, 보다 친환경적이고 효율적인 화학공정을 구현하는 차세대 촉매 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 화학과 김성규·오진록 박사후연구원과 POSTECH 화학과 최대의 석·박사통합과정생이 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Chem’에 7월 6일 온라인 게재됐다. 논문명은 ‘Germanium ligand redox cooperativity: A key to ambiphilicity and switchable two- and four-electron transfer’이며, DOI는 10.1016/j.chempr.2026.103127이다.
이번 연구는 한국연구재단 기초연구실 지원사업, 학문후속세대 박사과정생 연구장려금 지원사업, 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.
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