촉매란 무엇일까?
아무리 싸고 흔한 물질로 내가 원하는 물질을 만들어내는 화학반응이 있더라도, 그 반응이 진행되는데 지나치게 오랜 시간이 걸린다면, 전혀 쓸모가 없다. 특히 상업적인 목적으로 물질을 생산해 낼때는 속도가 더더욱 중요하다. 이때, 반응이 진행되는 데에 걸리는 시간을 큰 폭으로 단축하게 해주는 것이 바로 촉매(觸媒, catalyst)이다. 촉매란 반응과정에서 소모되지 않으면서 반응속도를 변화시키는 물질을 말한다. 촉매는 소량만 있어도 반응 속도에 영향을 미칠 수 있다.
위의 사진은 촉매가 있을때와 없을때 반응 경로의 변화를 나타내는 그래프이다. 촉매가 있을때를 나타낸 것이 빨간색 그래프인데, 촉매는 반응 경로를 바꾸어 활성화 에너지를 낮춤으로써, 반응의 진행에 필요한 최소 에너지의 크기를 감소시켜 더 쉽고 빠르게 반응이 일어날 수 있게 해준다. 촉매는 반응에 참여하지만, 반응 과정에서 소모되지 않기 때문에 그 양에 차이가 없다.
이러한 촉매의 종류에는 정말 여러가지가 있는데, 그 형태도 기체, 액체, 고체가 모두 존재한다. 다양한 분야에서 사용되는 다양한 촉매들중 가장 유명한 것은 아마 백금 촉매일 것이다. 백금 촉매는 물 분해와 다양한 가전제품부터, 수소자동차까지 넓은 분야에서 사용된다. 하지만, 백금 촉매의 가장 큰 단점은 가격이다. 백금 촉매는 1g당 8만원 수준으로, 이 비싼 가격 때문에 백금 촉매가 사용된 제품의 가격 또한 높게 책정될 수밖에 없는 것이 현실이다.
백금을 대체할 촉매의 등장?
그런데, 효율은 높지만 너무나도 높은 가격 때문에 계륵같은 존재였던 백금에 대항할 새로운 촉매가 2017년 개발되었다. 2017년 2월, 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수팀이 루테늄(Ru)과 2차원 유기구조 체인 C2N을 합성, 새로운 물 분해 촉매를 개발했다고 밝혔다. 국제 학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 게재된 연구 성과에 따르면, 연구팀은 백금을 대신할 촉매를 찾기 위해 벌집 모양의 유기 구조체 C2N에 루테늄, 코발트, 니켈, 납 등을 합성하여 실험하던 중 루테늄을 사용했을 때 백금 촉매와 거의 비슷한 효율을 보이는 것을 확인했다.
루테늄과 C2N을 합성한 'Ru@C2N'이 백금 촉매에 버금가는 성능으로 물에서 수소와 산소의 결합력을 약화한 것이다. 염기성 상태에서 상대적으로 쉽게 녹아 안정성이 낮은 백금에 비해, 루테늄은 안정성도 높아 염기성 수용액에서는 백금과 비교했을 때 더 높은 효율을 보였다고 한다.
이 뿐만이 아니다. 루테늄을 기반으로 한 이 물질은 백금과 비슷한 성능을 갖고 있지만, 가격은 훨씬 저렴하다. 루테늄 또한 백금과 같은 금속이지만, 귀금속으로 쓰이지 않기 때문에 가격이 백금의 4%에 불과하다. 촉매로 만드는 방법도 비교적 간단하기 때문에, 실제 촉매로 만드는 비용은 백금 촉매의 1% 수준까지 낮아질 수 있다.
이처럼 촉매는 물질 개발과 합성에 있어 없어서는 안될 존재이다. 이번 기회에 촉매에 더욱 관심을 가져보는 것은 어떨까?
원하던 케미 2019 봄호
작성자: 18-038 목재균
분야: 촉매화학
참고문헌:
[1] 그린 포스트 코리아 - '최고의 촉매' 백금 대항마 등장…비슷한 성능에 가격도 저렴
http://www.greenpostkorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=73092
[2] 제타위키 - 촉매
https://zetawiki.com/wiki/%EC%B4%89%EB%A7%A4
이미지:
[1] http://www.greenpostkorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=73092
[2] https://zetawiki.com/wiki/%EC%B4%89%EB%A7%A4
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