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식품, 의료, 산업 분야에서 화학적 화합물을 생산하기 위해 사용하는 많은 반응에서 촉매가 사용된다. 촉매는 소량이라도 화학반응의 속도를 높이거나 저온, 저압 조건에서 해당 반응이 일어나게 하는 물질이다. 좋은 촉매는 때때로 산업용 반응로 처리량을 크게 증진시키거나 반응온도를 100°C 이상 떨어뜨릴 수 있다. 촉매 연구가 화학반응을 보다 효율적으로 만드는 데 필수적이다. 최근 밝혀진 한 가지 새로운 접근방식은 금속 나노입자를 기존의 균일한 가열기법 대신 마이크로파를 사용하여 직접 가열하는 것이다. 촉매인 금속 나노입자는 전자파와 강하게 상호작용하며 선택적으로 가열되는 것으로 생각된다. 그러나 과학자들은 이 접근법을 사용할 때 상반되는 결과를 보고했으며, 나노입자를 선택적으로 가열할 때 화학반응에 미치는 영향을 이해하는 것은 아직 나노입자의 국소온도 측정방법이 발견되지 않았기 때문에 어렵다. 일 도쿄기술대의 Yuji Wada 교수가 이끄는 연구진은 이 문제를 해결하고 고체 촉매로 백금 나노입자의 국소 온도를 측정하는 새로운 접근법을 발견했다. 이 연구는 학술지 Communications Chemistry에 상세히 기술된 바와 같이 X선 흡수 미세구조(XAFS, X-ray absorption fine structure) 분광법을 사용하는데, X선을 이용하여 물질의 국소 구조에 대한 정보를 알아낼 수 있다. 확장된 XAFS 진동에서 Debye-Waller 계수를 도출할 수 있다. 이 인자는 구조 불일치와 열적 불일치로 구성된다. 마이크로파 가열 시 촉매 구조가 변하지 않으면 Debye-Waller 계수의 변화는 열적 불일치에 기인해야 한다. 따라서 XAFS를 사용하여 금속 나노입자의 온도를 간접적으로 측정할 수 있다. 연구팀은 이 방법을 알루미나에 백금, 실리카 촉매에 백금에 적용해 마이크로파가 백금 나노입자를 어느 정도 선택적으로 가열할 수 있는지 알아냈다. 마이크로파 가열은 기초물질과 나노입자 간에 현저한 온도차를 발생시키는 것으로 조사되었다. 일련의 비교 실험은 촉매 내 금속 나노입자의 국부온도가 더 높은 것이 같은 온도에서 더 높은 반응률을 얻는데 결정적이라는 것을 보여주었다. 연구진은 나노입자의 국소온도와 촉매반응에 미치는 영향에 대한 평가방법을 처음으로 제시했다면서 백금 나노입자의 국소 가열이 화학반응을 가속화하는데 효율적이라는 결론을 내렸다고 밝혔다. 이번 연구결과는 촉매 성능 향상에 있어 마이크로파를 이용한 가열에 대한 이해를 개선하고 촉매활성 지점에서 효율적으로 에너지 집중함으로써 에너지의 효율적 이용을 달성하기 한 돌파구를 제시하는 것으로 평가된다. |
