1 서 론

백금은 연료전지의 핵심 화학반응인 산소 환원 반응, 자동차 배기가스 정화, 다양한 화학물질의 변환에서 중 요한 촉매로 사용된다.^1,2) 그러나 백금의 높은 가격으로 인해 백금 촉매가 사용되는 경우 백금 촉매의 비용이 전 체 시스템 비용의 상당 부분을 차지하게 된다. 2000년 대 중, 후반부터 백금을 다른 소재로 대체하려는 연구 들이 꾸준히 이루어져왔으나^1,3,4) 아직까지는 백금의 촉매 반응성, 안정성, 선택도 등을 완벽하게 재현할 수 있는 소재는 개발되지 않고있다. 따라서 최근에는 촉매 시스 템 내 백금의 사용량을 줄이거나 백금 촉매의 안정성을 높이는 연구들이 다각적으로 수행되고 있다.^1,5-7)

자동차 배기가스 정화에 사용되는 백금 촉매는 로듐, 팔라듐과 함께 질소 산화물과 불완전 연소로 발생하는 C_xH_y 및 일산화탄소(CO)를 제거하기 위해서 사용되며,²⁾ 그 중에서도 CO 산화반응에 주로 관여한다. 백금은 공 기중의 CO와 함께 산소(O₂)를 흡착하고 O₂분자를 두 개 의 O원자로 분해한다.⁸⁾ 백금 표면에서 Langmuir-Hinshelwood( LH) 반응 메커니즘에 의해 CO가 이산화탄소 (CO₂)로 산화 된다는 것이 여러 연구를 통해 알려져 있 다.⁸⁾ 이에 대한 간단한 반응 과정은 다음과 같다. 아래 의 *표시는 Pt 표면에 흡착된 상태를 나타낸다.⁸⁾

일반적으로 백금 촉매 나노입자는 O₂에 비해 CO를 더 욱 강하게 흡착한다. 따라서 촉매 사용 시간이 증가할 경우 나노입자의 표면이 CO에 의해 피독되는 현상이 나 타나고,⁹⁾ 궁극적으로는 촉매 표면에 O₂가 흡착되기 어 려워 촉매 반응성이 떨어지게 된다. 이러한 CO 피독 현 상은 나노입자가 고온에 장기간 노출되면 나타나는 오 스왈트 라이프닝(Ostwald ripening)과10) 함께 백금 나노 입자 촉매의 활성과 내구성 및 수명을 떨어뜨리는 주된 요소이다.

2000년대 중반 이후, 백금 나노입자의 CO 피독현상을 극복하려는 실험과 이론연구들이 보고되어왔다.¹¹⁾ Pt와 Ru 의 조합을 이용하여 Pt의 전자구조 변화를 꾀한 연구들 이 대표적이나,⁹⁾ 이 경우 Pt의 촉매 성능의 변화 또한 나타날 가능성이 있어, Pt의 CO 피독현상을 방지하는 궁 극적인 대책이 되지는 못한다.

본 연구자들은 지난 2017년 제일원리 계산을 이용한 이론연구를 통해 전기화학적으로 제조된 Pt@Cu core@ shell 나노입자를 이용하여 백금 나노입자의 표면에 O₂ 가 선택적으로 흡착될 수 있다는 것을 밝힌 바 있다.¹²⁾ 백금 나노입자는 잘 알려진 바와 같이 CO 피독현상이 쉽게 나타나나, 백금 나노입자의 표면에 얇은 구리 층 을 형성하고 CO산화반응 촉매로 적용하게 되면 노출된 백금 나노입자의 표면이 CO를 선택적으로 흡착하고 (Pt- CO*) 구리가 O₂를 흡착하여 (Cu-O₂^*) 백금과 구리의 계 면에서 CO의 산화반응이 일어나게 된다. 이와 같이 공 간적으로 분리된 CO와 O₂의 흡착이 일어나게 되면 백 금 나노입자 촉매의 CO피독현상을 원천적으로 방지할 수 있게 되어 CO 산화반응에 대한 백금 나노입자 촉매의 내구성을 향상시킬 수 있을 것으로 생각한다.¹²⁾

본 논문에서는 위와 같은 연구 결과를 바탕으로 백금 을 기반으로 하는 Pt@Pd, Pt@Ru, Pt@Rh, Pt@Au, Pt@Ag의 다섯 가지 Pt@X core@shell 타입 나노입자를 이용하여 Pt와 X원소의 계면에서 CO 산화반응이 일어 날 수 있는 촉매 시스템을 제시하였다. 제일원리 계산 을 이용한 연구 결과, 상대적으로 O₂에 대해 흡착력이 있는 Ag를 활용한 Pt@Ag 시스템과 Pt@Pd시스템에서 기대했던 CO 피독현상에 대한 저항성이 나타날 수 있 다는 것을 발견하였고, O₂에 대한 친화력이 지나치게 강 한 Ru과 Rh을 이용한 경우는 표면이 오히려 산소로 피 독될 수 있음을 발견하였다.

2 연구 방법

본 연구에서는 전자밀도함수 이론(density functional theory, DFT) 기반 제일원리 계산을 수행하기 위해 Vienna ab-initio simulation package(VASP)¹³⁾ 프로그램을 사용하 였다. Kohn-Sham equation의 exchange-correlation energy는 Perdew와 Wang이 제시한 형태의 functional을¹⁴⁾ 사용하여 계상하였으며, 각 원소들의 외곽 전자들은 400 eV의 한계 에너지까지의 plane wave basis set을 이용하 여 묘사하였다. 각 원자 들에서 이온의 형태로 처리된 핵 및 내부 전자와 외곽 전자들은 projector augmented wave method를¹⁵⁾ 사용하여 상호 연계되었다. 계산에 사 용한 나노입자들은 각 변이 30 Å인 정사각형 형태의 supercell 내부에 위치되었으며, 상대적으로 큰 supercell크 기를 고려하여 Brillouin zone sampling은 Gamma point 만을 이용하였다. 원자구조(geometry) 및 전자구조 최적 화는 각각 0.01 eV/A와 10⁻⁴ eV의 정확도로 수행되었 다. 금속 나노입자를 사용한 계산 임을 고려하여, 계산 의 수월성을 위해 Gaussian smearing function을 사용하 였다.

본 연구를 위해 사용한 Pt@X (Pt@Pd, Pt@Ru, Pt@ Rh, Pt@Au, Pt@Ag) 나노입자들은 Fig. 1과 같이 cuboctahedral 구조를 가지는 147개의 원자로 이루어진 백 금 나노입자 위에 X원소를 각 (100) 및 (111) 면에 추 가한 형태로 이루어져있다. 이와 같은 형태의 나노입자 들은 전기화학 실험을 이용해 제조되고, 그 구조가 DFT 및 Extended X-ray Absorption Fine Structure(EXAFS) 분석결과를 통해 증명된 바 있다.¹⁶⁾

Fig. 1.

Morphology of Pt₁₄₇ and Pt₁₄₇@Ag₁₀₂ nanoparticles used for DFT calculations: (a) Pt₁₄₇ and (b) Pt₁₄₇@Ag₁₀₂. There are three surface structural motifs for binding on a Pt₁₄₇ nanoparticle: Pt vertex, Pt(100), and Pt(111). The exposed Pt facets were covered with a corresponding ML of Ag surfaces in (b).

CO와 O₂에 대한 흡착에너지는 흡착 전 후, 나노입자 시스템의 총 에너지의 차이를 이용하여 계산하였으며, Pt@X 나노입자의 표면에 존재하는 각각의 구조적 흡착 가능지점들에 개별 CO 및 O₂ 분자들을 흡착시켜 계산 하였다. Fig. 1 및 Table 1에 나타낸 흡착구조와 흡착에 너지는 각 흡착 가능 지점들 중에서 가장 강하게 흡착 하는 경우를 그림과  E_bind로 나타낸 것이다.

3 결과 및 고찰

Fig. 1은 Pt₁₄₇ 나노입자와 Pt₁₄₇@Ag₁₀₂의 구조와 3가 지 서로 다른 흡착 가능 지점을 보여준다. Pt 나노입자 는 일반적으로 꼭지점 부분에 가장 강하게 CO 및 O₂ 를 흡착할 수 있다. 그러나 각각의 흡착 가능 지점에 CO와 O₂의 흡착력을 흡착에너지,  E_bind, 를 통해 비교해 보면 항상 모든 지점에 CO가 선택적으로 흡착된다. 이 에 대한 자세한  E_bind 계산 결과는 본 연구자들의 이전 발표 논문에 수록하였다.¹²⁾

Pt의 강한 CO 피독 경향성은 표면에 O₂와 친화력이 높은 원소를 도입하여 어느 정도 극복할 가능성이 있다 는 것이 기존의 실험 및 계산 연구 결과를 통해 알려 져 있다.^11,12) 본 연구에서는 이 중에서도 Pt와 원자 크기 차이가 크지 않은 귀금속 원소를 주로 선정하였으며, 그 중에서도 산화물을 형성할 수 있는 Pd, Rh, Ru, Ag와 CO 산화반응에 대해 우수한 촉매 특성을 보이는 Au를 포함하여, Pt@X (Pt@Pd, Pt@Ru, Pt@Rh, Pt@Au, Pt@ Ag) 나노입자들을 디자인하고, 이들의 CO 및 O₂에 대 한 친화력 비교를 통해 CO 피독 현상을 방지하면서 CO 산화반응을 활성화시킬 수 있는 이원계 촉매 시스템을 제안하였다.

Fig. 2는 Pt@Ag 및 Pt@Pd 나노입자 모델을 이용하 여 나노입자 표면에 존재하는 Pt 꼭지점과 Ag 및 Pd의 (100)과 (111) 면에 흡착하는 CO와 O₂ 흡착구조와  E_bind 를 보여준다. Ag와 Pd (100) 및 (111) 면 위에서 CO 보다 좀 더 강한 O₂의 흡착에너지가 계산되었으며, 산 소와 친화력이 강한 Pd면의 경우, O₂가 자발적으로 분리 되며 흡착하는 것을 알 수 있다(dissociative adsorption).¹⁷⁾ 이러한 경우, 기존에 본 연구자들이 보고한 Pt@Cu 나 노입자와 마찬가지로12) Pd와 Pt의 계면에서 촉매 반응 이 원활하게 일어날 것으로 예상된다. O₂가 자발적으로 분리되지 않는 Pt@Ag 나노입자의 경우, 먼저 Pt와 Ag 계면에서 Pt-CO*와 Ag-O₂^* 사이에 OC-OO 형태의 반응 중간 생성물이 발생할 것으로 예상된다. 이러한 반응 중 간 생성물은 CO₂로 쉽게 분리될 수 있다는 것이 잘 알 려져 있다.¹⁸⁾

Fig. 2.

Energetics of CO and O₂ binding on (a) Pt@Ag and (b) Pt@Pd nanoparticles. The exposed Pt vertex site strongly binds a CO molecule. Au and Pd surfaces deposited on Pt surfaces preferentially bind O₂ rather than CO.

Table 1에 이와 같은 CO와 O₂의  E_bind를 본 연구에서 테스트한 Pt@X 나노입자들에 대해 계산하여 나타내었 다. Fig. 2에서 보인 Pt@Ag 및 Pt@Pd 나노입자와 함 께, Pt@Ru, Pt@Rh 시스템에서 Ru(100), Ru(111), Rh (100), Rh(111) 면에 CO 보다 O₂가 강하게 흡착하는 현 상이 나타났다. 그러나 이들 나노입자들은 O₂의 분리적 흡착(dissociative adsorption)이 일반적으로 나타났으며, 그 결과 Pt@Ag, Pt@Pd의 경우에 비해 O₂의 흡착에너 지가 각각 최대 5배 및 2배까지 증가하였다. 이와 같은 현상으로 볼 때, Pt@Ru 및 Pt@Rh 나노입자들의 표면 은 산소 원자(O)로 포화될 것으로 생각되며, CO의 산 화에서 방출되는 에너지가 약 3.33 eV임을 고려할 때, Ru와 Rh 표면에 흡착된 산소 원자를 이용하여 CO를 산 화시키기에는 열역학적 구동력이 충분하지 않을 것으로 예상할 수 있다. 또한, Ru과 Rh은 CO에 대해서도 Pt 및 Pd와 유사하거나 그 이상의 친화력을 가지며, CO와 O₂에 대해 보여주는 일관된 강한 흡착력 때문에 Pt@Ru 및 Pt@Rh 나노입자의 경우 표면 전 영역에서 CO와 O₂ 가 경쟁적으로 흡착할 것으로 생각된다. 본 연구의 목 적이 이러한 하나의 나노입자에서 일어나는 경쟁적 흡 착 현상을 막고, Pt와 X의 계면을 이용한 bifunctional 촉매 반응을 촉진할 수 있는 이원계 촉매 소재를 전산 모사를 이용하여 제시하는 것 임을 고려해 볼 때, Pt@ Ru 및 Pt@Rh 나노입자들은 본 연구의 목적과는 부합 하지 않는다.

이와는 반대로, Pt@Au의 경우 Au(100) 및 Au(111) 면에서 O₂에 비해 CO가 좀 더 강한 흡착에너지를 보 인다. 이와 같은 특성은 산화물과 Au 나노입자로 이루 어진 불균일 촉매에서 보고되어왔던 Au의 CO 흡착 및 공급에 대한 역할과 일치하는 결과이며,18-20) Pt@Au 나 노입자의 경우 본 논문에서 제시하는 Pt-X 계면을 활 용한 촉매 디자인에 부합하지 않는 시스템 임을 알 수 있다.

이와 같은 결과들을 바탕으로 Pt@Ag 및 Pt@Pd 나노 입자가 본 연구의 목적에 가장 부합하는 시스템으로 나 타났다. 특히 이 중에서도 CO와 O₂가 Pt와 Ag에 각각 선택적으로 흡착되는 Pt@Ag의 경우, Ag의 상대적으로 적정한 O₂ 흡착에너지로 인해 Pt와 Ag에 흡착된 CO와 O₂가 추가 표면 반응을 거쳐 CO₂로 생성될 수 있는 충 분한 조건을 갖추고 있다. Pt@Pd의 경우, 본 연구의 목 적상 필요한 조건들은 만족하고 있으나 Pd(100) 면에서 O₂가 강한 분리적 흡착(dissociative adsorption)을 하기 때문에, 이들이 Pt-Pd 계면에서 활성화되어 CO 산화반 응에 이용되기까지는 어려움이 따를 것으로 생각된다.

4 결 론

본 연구에서는 전자밀도함수이론 계산을 이용하여 Pt 기반 이원계 나노입자들인 Pt@Pd, Pt@Ru, Pt@Rh, Pt@ Au, Pt@Ag을 기준으로 Pt의 CO 피독특성을 방지할 수 있는 이원계 나노입자 시스템을 제시하였다. Pt core 나 노입자 위에 합금원소들이 ML 단위로 올려진 이원계 나 노입자 시스템을 활용하여, 각각의 흡착 구조에 대해 CO 와 O₂의 흡착에너지를 계산하였으며, 이들의 상대적/절 대적 비교를 통해 Pt와 합금원소가 CO와 O₂를 선택적 으로 흡착할 수 있는 나노입자 시스템을 제시하였다.

연구 결과 Pt@Pd 및 Pt@Ag 시스템에서 본 연구의 목적을 부합하는 흡착 특성이 발견되었으며, 그 중에서 도 Pt@Ag 시스템에서 보이는 CO와 O₂의 선택적 흡착 및 최적화된 흡착에너지를 고려해 볼 때, Pt@Ag 시스 템이 본 연구의 목적을 가장 잘 구현할 수 있는 나노 입자 시스템이라고 판단된다.

이원계 금속 나노입자를 이용한 촉매 설계 분야에서는 각 구성원소의 전기적, 구조적 특성을 이해하는 것과 함 께, 이를 원자단위에서 컨트롤하고 디자인하려는 시도들 이 나타나고 있다. 본 연구 역시 이와 같은 원자단위 촉 매 디자인을 이용하여 촉매 표면의 무질서도를 낮추어 촉매 반응의 안정성과 지속성을 추구하려는 시도이며, 추 후 관련 나노촉매 및 나노소재 설계 연구에 지향점을 제 시해줄 수 있을 것이다.