[프레스데일리 김규훈 기자] 단일 원자 촉매(Single-Atom Catalyst, SAC)가 식품 및 연료 생산 공정을 혁신적으로 바꾸고 있다.

외신을 종합하면 오리건 주립대 연구진이 참여한 국제 공동연구에서, 팔라듐 단일 원자 촉매를 활용한 수소화 반응의 효율성과 안정성이 대폭 향상된 것으로 밝혀졌다.

이로 인해 식품 가공, 연료 정제, 의약품 제조에 필수적인 공정들이 향후 더 빠르고 저렴하게 이루어질 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 세계적 과학 저널 네이처(Nature)에 게재되었으며, 수소 분자(H₂)를 다른 화합물에 첨가하는 수소화(hydrogenation) 반응을 중심으로 진행됐다.

화학 공학 부교수이자 공동연구를 이끈 펑 젠싱(Zhenxing Feng) 교수는 “수소화는 식품, 연료, 범용 화학 물질 및 의약품 생산에 널리 사용되는 핵심 반응”이라며, “촉매 없이는 경제성이 낮아지기 때문에 팔라듐이나 백금 같은 고가의 금속이 핵심 역할을 해왔다”고 설명했다.

펑 교수와 오리건 주립대 박사과정 연구원들, 그리고 중국 내 4개 연구기관의 협업으로, 연구진은 팔라듐 단일 원자 촉매가 기존 나노입자 촉매보다 뛰어난 성능을 보인다는 사실에 주목했다.

단일 원자 촉매는 촉매 금속이 고립된 단일 원자로 존재하면서 지지체와 상호작용해 반응을 촉진시키는 방식이다. 연구진은 14종의 반도체 지지체 위에 34개의 팔라듐 SAC를 합성·분석했으며, 고급 X선 및 적외선 분석을 통해 그 효과를 입증했다.

특히 지지체가 전자를 얼마나 잘 받아들일 수 있는지가 SAC의 성능과 직결된다는 점을 밝혀내며, SAC 성능 향상의 과학적 원리에 대한 새로운 이해를 제공했다.

펑 교수는 “팔라듐 단일 원자 촉매의 성능은 지지체의 분자 궤도 에너지 위치와 일관된 선형 관계를 보였다”며, “이는 향후 더 높은 활성을 가진 금속-지지체 조합을 선별하는 데 결정적인 기준이 될 수 있다”고 밝혔다.

또한 지지체 입자의 크기를 조절함으로써 촉매의 분자 궤도 위치를 미세 조정할 수 있으며, 이를 통해 세계 최고 수준의 활성도와 안정성을 동시에 갖춘 SAC 개발이 가능하다는 점도 확인했다.

이번 연구는 실제 산업 공정에서 널리 사용되는 ‘아세틸렌의 반수소화’ 반응을 모델로 삼아 진행됐다. 이는 식물성 기름을 마가린으로 전환하거나, 에틸렌을 정제해 청정 연료로 전환하는 등 식품 및 에너지 산업에서 널리 활용되는 핵심 공정이다.

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