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[IT뉴스]10년간 난제 광촉매 메커니즘 찾았다…에너지 주고받는 니켈과 이리듐

온카뱅크관리자

2026-09-11 12:27:25

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 <img alt="니켈과 이리듐으로 구성된 복합 광촉매 내부에서 일어나는 에너지 교환을 밝힌 연구가 나왔다. ChatGPT 생성 이미지" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/11/dongascience/20260911121809366ltzx.png" data-org-width="680" dmcf-mid="GAwTs0CEJw" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/11/dongascience/20260911121809366ltzx.png" width="658">
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 니켈과 이리듐으로 구성된 복합 광촉매 내부에서 일어나는 에너지 교환을 밝힌 연구가 나왔다. ChatGPT 생성 이미지
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 유기분자를 만드는 데 핵심적인 역할을 하는 복합 광촉매 내부에서 니켈(Ni)과 이리듐(Ir)이 함께 작동하는 원리가 밝혀졌다. 이번 연구는 복합 광촉매 내부의 분자 수준 메커니즘을 둘러싸고 10년간 해결되지 않은 난제를 풀어냈다.
 포스텍은 김경환 화학과 교수팀이 황승준 KAIST 교수팀과 함께 빛을 이용하는 니켈과 이리듐 촉매가 협력할 때 나타나는 핵심 중간 상태를 초고속 X선을 이용해 확인했다고 11일 밝혔다. 
 신약처럼 복잡한 유기 분자를 만들려면 산소와 탄소 등 원자를 원하는 자리에 이어 붙여야 한다. 이 일을 빠르고 매끄럽게 도와주는 물질이 촉매다. 
 그동안 값싼 금속인 니켈을 촉매로 사용하려는 연구가 많이 있었지만 매번 니켈 촉매를 이용하면 화학반응을 끝까지 마무리 짓지 못한다는 문제에 봉착했다. 
 빛을 흡수해 주변 물질의 화학반응을 촉진하는 이리듐 광촉매는 니켈 촉매가 반응을 끝까지 마무리짓도록 돕는다. 이리듐과 니켈을 함께 사용하는 복합 광촉매를 산업 현장에 도입하려는 연구가 현재 활발하게 이뤄지고 있다.
 문제는 이리듐이 니켈과 어떻게 상호작용해 화학반응을 일으키는지 모른다는 점이다. '두 촉매가 서로 전자를 주고받는다'는 가설과 '두 촉매가 에너지를 주고받는다'는 가설이 팽팽히 맞섰다. 
 복합 광촉매가 일으키는 화학반응은 빛을 받은 직후 거의 동시에 일어난다. 기존 장비로는 이리듐과 니켈 중 어떤 화학물질이 먼저 반응을 시작했는지, 두 물질 사이에 무엇이 오갔는지 가려내기 어려웠다.
 연구팀은 포항 4세대 방사광 가속기 'X선 자유전자레이저'를 사용했다. 가속기를 이용하면 분자의 움직임을 10조분의 1초 단위로 포착할 수 있다. 여러 물질이 섞여 있어도 이리듐과 니켈의 변화를 각각 따로 측정할 수 있다는 장점도 있다. 
 X선은 원자 속 전자의 개수에도 민감해서 두 화학물질 사이에 전자가 오갔다면 놓치지 않고 잡아낼 수 있다.
 실험 결과 이리듐과 니켈을 함께 이용하는 복합 광촉매에 빛을 쬐었더니 1조분의 1초라는 짧은 시간 만에 니켈이 들뜬 상태로 넘어가는 현상이 포착됐다. 
 들뜬 상태란 원자가 에너지를 흡수해 가장 안정한 상태에서 더 높은 에너지를 가진 상태로 전환된 모습을 말한다. 니켈은 이리듐에서 에너지를 얻어 들뜬 상태가 됐다고 해석할 수 있다. 연구팀은 두 화학물질 사이에서 오갔던 것은 에너지라고 결론지었다.
 이리듐이 없는 니켈은 아무리 빛을 쬐어도 들뜬 상태에 접어들지 못했다. 연구팀은 니켈이 들뜬 상태에 얼마나 쉽게 도달하느냐가 촉매의 반응을 조절하는 핵심 요소라는 사실을 확인했다. 이리듐은 전 세계적으로 매장량이 적어 비싼 금속이다. 이번 연구를 이용하면 이리듐 대신 니켈의 촉매 작용을 돕는 더 저렴한 물질을 찾을 수 있다.
 김 교수는 “10년 넘게 추측에 머물러 있던 부분을 직접 확인하는 데 성공했다"라며 "니켈 촉매가 어떤 상태에 도달해야 반응이 일어나는지를 알게 된 만큼, 더 경제적인 촉매 반응을 설계하는 데 적용될 수 있을 것"이라고 했다.
 &lt;참고자료&gt; doi: 10.1021/jacs.6c12462
 [김소연 기자 lecia@donga.com]
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