KAIST 신소재공학과 김일두 교수팀과 전기및전자공학부 최성율 교수팀이 공동연구로 강한 빛을 짧게 쬐어 고성능 나노 신소재를 합성하는 ‘직접접촉 광열처리’ 합성 플랫폼을 개발했다.

연구팀은 빛을 0.02초 비춰 순간적으로 3000℃ 초고온을 만들어내는 촉매 합성 기술로 단단하고 잘 반응하지 않는 나노다이아몬드를 전기가 잘 통하고 촉매로 쓰기 좋은 고성능 신소재 ’탄소 나노어니언탄소Carbon Nano-onion)’로 바꾸는 데 성공했다.

이를 통해 기존 열선 가열 열처리 공정보다 에너지 소비를 1/1000 수준으로 줄이면서 공정 속도는 수백 배 이상 단축했다.

연구팀은 이 과정에서 전환된 탄소 나노어니언 표면에 금속 원자를 하나하나 달라붙게 만들어 촉매 기능까지 동시에 구현, 구조를 바꾸고 재료에 기능까지 부여하는 데 성공했다.

탄소 나노어니언은 탄소 원자가 양파처럼 여러 겹으로 쌓인 초미세 구형태의 소재로, 전기 전도도와 내화학성이 뛰어나 촉매를 지지하는데 적합하다. 

그러나 기존에는 탄소 나노어니언을 합성한 뒤 다시 촉매를 부착하는 복잡한 공정을 거쳐야 했고, 열선으로 가열하는 기존 방식은 에너지 소모가 크고 시간이 오래 걸려 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 빛 에너지를 열로 전환하는 광열효과를 이용했다. 

탄소 나노어니언의 전구체인 나노다이아몬드에 빛을 잘 흡수하는 카본블랙을 섞은 뒤 제논램프로 강한 빛을 터뜨리는 방식을 고안했다. 

그 결과 0.02초 만에 나노다이아몬드가 탄소 나노어니언으로 전환하고, 분자동역학 시뮬레이션에서도 이 과정이 물리적으로 충분히 가능한 것으로 확인됐다. 

이 플랫폼은 탄소 나노어니언 합성과 단일원자 촉매 부착을 한 번에 처리할 수 있다는 점에서 혁신적이다. 

백금과 같은 금속 전구체를 함께 넣으면 금속들이 원자단위로 분해되는 ‘단일원자 촉매’로 갓 생성된 탄소 나노어니언 표면에 즉시 달라붙는다. 

이후 빠른 냉각 과정에서 원자들이 뭉치지 않고 소재 합성과 촉매 기능화가 완벽히 통합된 단일공정으로 완성된다. 

연구팀은 이 기술을 활용해 백금, 코발트, 니켈 등 8종의 고밀도 단일원자 촉매를 합성했다.

김 교수는 “백금 단일원자 촉매 탄소 나노어니언은 기존보다 6배 효율적으로 수소를 만들어내면서도 훨씬 적은 양의 고가 금속으로도 높은 효율을 낼 수 있다”며 “기존 열처리 대비 에너지 소비를 1/1000로 줄인 초고속 합성 단일원자 촉매 기능화 통합 공정은 수소에너지, 가스센서, 환경촉매 등 다양한 응용 분야의 상용화를 앞당길 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 전도경 박사과정과 신하민 박사, KAIST 전기및전자공학부 차준회 박사가 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 미국화학회(ACS) 발간 ‘ACS Nano’ 9월호 속표지 논문으로 게재됐다.
(논문명: Photothermal Annealing-Enabled Millisecond Synthesis of Carbon Nanoonions and Simultaneous Single-Atom Functionalization, DOI: 10.1021/acsnano.5c11229)