[한국기술뉴스] 현대 사회가 지향하는 탄소중립 사회를 실현하기 위해서는 우수한 촉매 개발과 이에 대한 깊은 이해가 필요하다. 촉매란, 국제순수·응용화학연합(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) 정의에 따르면 ‘반응과정에서 소모되지 않으면서 반응속도를 증가시켜 주는 물질’을 뜻한다. 촉매를 잘 만들기 위해서는 촉매의 특성을 잘 살필 수 있는 분석적 수단의 유무가 굉장히 중요하다. ‘전기화학발광 기반 탐침 활용 에너지 변환 기초연구실(이하 연구실)’은 이런 분석적 수단을 연구하고 있다. 국내서 처음 시도되는 이번 연구는 ‘전기화학발광(electrochemiluminescence, ECL)’을 촉매 연구 수단으로 활용한다.

연구실은 연구주제의 독창성을 인정받아 ‘2021 기초연구실 사업’에 선정돼 융합연구를 진행하고 있다. 친환경 에너지 변환 촉매를 개발하는 데 탐침(Probe, 엄밀히 조사하다) 도구로 전기화학발광을 사용하겠다는 내용이다. 중점 연구 분야는 △미시적 국소 공간 분해능 연구 △전기화학발광 기반 광전기화학 반응 연구 △패턴 촉매/반도체계면 에너지 변환 반응 연구 등 세 가지다. 연구에는 화학과 김주훈, 송재규, 임성열, 양지은 교수가 참여한다.

전기화학발광은 작은 빛도 검출해 내는 특징이 있다. 그래서 혈액 검사 시 특정 물질을 전기화학발광 신호로 검출해 내는 등 의료 진단에 사용하기도 한다. 이번 연구는 ‘어떻게 하면 더 작은 빛도 검출할 수 있을까?’라는 질문에 초점을 둔다. 촉매활성이 어둡게 보여서 실제로 신호가 있어도 검출하지 못하는 경우가 생기기 때문이다. 김 교수는 “촉매성이 ‘없다’는 것은 틀린 표현이다. 검출하지 못했을 뿐”이라며 “전기화학발광 현상을 잘 이용하면, 촉매성이 낮은 곳이 전기화학발광 빛을 내 촉매를 찾는 데 좋은 수단으로 쓰일 수 있다. 그래서 전기화학발광의 역할을 더 발전시키려는 목표도 있다”고 말했다.

관찰은 작은 국소 공간(Local Space)에서 진행한다. 전기화학발광을 이용해 작은 면적에서도 빛의 신호를 강하게 만들 수 있는 물질이 필요하다. 똑같은 반응에서도 더 밝게 빛나는 물질을 만들어, 큰 신호로 받아들이는 검출법이 필요하다는 의미다. 김 교수는 “물질이 빛을 발하는 매커니즘을 활용해, 신재생 에너지 변환 반응에 사용되는 촉매를 조사하는 도구로 ‘전기화학발광 활용’을 제안한 게 이번 연구에서 가장 독창적인 부분이다”라고 설명했다.

에너지 변환 촉매를 개발하는 연구는 탄소중립 시대를 위해 꼭 필요하다. 빛으로 전기를 만들고, 전기를 이용해 많은 양의 물을 수소로 만드는 것과 같은 일이 에너지 변환에 해당한다. 에너지 변환 반응을 잘 이루기 위해서는 촉매 개발이 필요하고, 촉매를 개발하려면 이를 조사할 도구가 필요한 데, 이때 전기화학발광이 도구로 쓰일 수 있다. 전기화학발광이라는 수단을 통해 신재생에너지 개발에 필요한 더 나은 촉매를 개발할 수 있을 거로 전망된다.

연구실은 패턴된 촉매와 반도체계면의 에너지 변환 반응을 전기화학발광을 이용해 연구하려는 목표도 세웠다. 지난해 6월부터 시작된 연구는 3년에 걸쳐 단계별로 진행할 예정이다. 김 교수는 “각 분야 교수님들이 같은 목표의식을 갖고 있다”며 “앞으로 나올 융합연구 결과들이 기대된다”고 말했다.

김 교수는 이번 과제에서 전기화학발광의 효율을 증대하기 위한 연구를 추진하고 있다. 이 연구에 송재규 교수의 전기화학발광 기반 광전기화학 반응 특성 연구, 임성열 교수의 빛을 통한 촉매 패턴 형성 및 에너지 변환 특성 연구, 양지은 교수의 2차원 물질 기반 전기화학 촉매 합성 및 에너지 변환 특성 연구가 더해지면서 입체적인 융합연구를 실행할 수 있게 됐다.

김 교수는 “융합연구는 각자 해오던 연구에 시너지 효과를 내는 기회가 될 것”이라며 “과학의 경계를 허무는 다양한 융합연구 활동이 경희 위상도 크게 제고할 수 있다”고 말했다. 김 교수 연구실은 외부 연구기관과의 협업도 진행 중이다. 지속가능한 수소 에너지 사회를 발전시키기 위한 연구에 한국과학기술연구원(KIST)이 함께 한다. 김 교수는 “교육기관과 연구기관의 협업도 하나의 융합연구가 될 수 있다. 이는 교육적으로 좋은 수단”이라며 “세계적인 기초연구실이 되겠다”는 포부를 밝혔다.