촉매 표면에서 분자의 결합이 바뀌고 전자가 이동하는 과정을 이해하고 제어하는 일은 새로운 화학기술을 개발하는 핵심입니다. 촉매는 에너지 전환, 화학제품 생산, 환경오염물질 처리 등 다양한 과정에서 반응을 촉진하고 원하는 생성물이 만들어지도록 돕습니다. 따라서 더 나은 촉매를 개발하려면 어떤 물질이 높은 성능을 보이는지 확인하는 것뿐 아니라, 그 표면에서 반응이 어떤 원리로 일어나는지 이해해야 합니다. 같은 촉매라도 주변 환경과 반응 조건에 따라 작동 방식이 달라질 수 있기 때문입니다.
불균일계 촉매는 고체 촉매가 액체나 기체 반응물과 만나는 표면에서 화학반응을 촉진하는 시스템입니다. 이 분야에서는 열촉매와 전기촉매가 서로 다른 연구 영역으로 발전해 왔습니다. 열촉매에서는 온도, 압력, 분자의 표면 흡착과 반응을 중심으로 촉매 작용을 설명하고, 전기촉매에서는 전위와 전자 이동을 핵심 변수로 다룹니다. 이러한 구분은 각 분야의 발전을 이끌었지만, 두 관점이 함께 필요한 촉매 계면을 이해하는 데에는 새로운 접근이 필요합니다.
본 연구는 열화학적 반응성과 전기화학적 반응성이 반드시 서로 배타적이지는 않다는 질문에서 출발합니다. 촉매와 주변 물질이 만나는 계면에서는 분자의 반응과 전하의 이동이 긴밀하게 연관되므로, 겉으로 유사해 보이는 화학전환도 서로 다른 과정의 기여로 이루어질 수 있습니다. 본 과제는 이러한 가능성을 ‘전기-열화학 이중성’의 관점에서 탐구합니다. 열촉매와 전기촉매를 둘 중 하나로 분류하는 데 그치지 않고, 두 반응성이 어떤 조건에서 함께 나타나며 촉매의 작동에 어떤 영향을 주는지 이해하고자 합니다.
과제명에 포함된 ‘반응성 연속체’는 촉매의 작동 특성을 고정된 두 범주가 아니라 조건에 따라 달라질 수 있는 연속적인 관계로 살펴보겠다는 의미입니다. 본 연구의 목표는 이러한 관계를 실험적으로 검토하고 정량적으로 설명할 수 있는 공통의 분석 틀을 마련하는 것입니다. 이를 통해 특정 촉매 하나의 성능을 높이는 것을 넘어, 다양한 촉매반응을 이해하고 설계하는 데 활용할 수 있는 기초 원리를 확립하고자 합니다.
이를 위해 화학반응이 진행되는 동안의 촉매 표면과 반응 결과를 함께 관찰하고, 실험에서 얻은 정보를 이론적 해석과 연결합니다. 반응의 속도와 생성물 변화를 측정하는 속도론, 촉매 표면의 분자 상태를 살펴보는 분광학, 계면의 전기적 특성을 분석하는 전기화학, 그리고 관측 결과를 설명하는 반응 모델을 상호보완적으로 활용합니다. 하나의 측정 결과에 의존하지 않고 여러 관찰이 같은 설명을 뒷받침하는지 확인하여, 촉매가 작동하는 원리를 신뢰성 있게 이해하는 것이 중요합니다.
연구는 비교적 단순한 모델 반응에서 출발하여 분석의 기반을 다진 뒤, 서로 다른 화학전환과 계면 환경으로 단계적으로 확장합니다. 이 과정에서 특정 반응에만 나타나는 특성과 여러 반응에 공통으로 적용되는 원리를 구분하고자 합니다. 나아가 촉매의 조성, 표면 환경, 반응 조건을 바꾸었을 때 반응속도와 생성물 선택성이 어떻게 달라지는지 설명하고 예측하는 방향으로 연구를 발전시킵니다. 이는 반응 결과를 확인한 뒤 원인을 해석하는 접근에서, 원리를 바탕으로 필요한 촉매 특성과 조건을 설계하는 접근으로 나아가기 위한 과정입니다.
본 과제의 학술적 의의는 불균일계 촉매화학, 물리전기화학, 계면과학을 연결하는 통합적인 관점을 마련하는 데 있습니다. 서로 다른 분야에서 사용해 온 설명을 연결하면, 기존에 개별 현상으로 이해되던 촉매의 거동을 새로운 시각으로 해석할 수 있습니다. 또한 반응속도나 선택성의 변화가 촉매 계면의 어떤 특성에서 비롯되는지 구체적으로 이해함으로써, 경험적 탐색을 보완하는 예측적 촉매 설계의 기반을 제공할 수 있습니다.
장기적으로 이러한 지식은 에너지와 자원을 효율적으로 활용하고, 필요한 물질을 선택적으로 생산하는 화학공정의 발전에 기여할 것으로 기대합니다. 본 연구가 지향하는 성과는 특정 반응의 성능 지표를 높이는 데 머물지 않습니다. 열촉매와 전기촉매 사이의 학문적 경계를 넘어, 촉매 계면의 다양한 반응성을 하나의 관점에서 이해하고 제어하는 ‘통합 촉매학’의 기반을 마련하는 것입니다. 삼성미래기술육성사업의 지원을 통해 이러한 기초과학적 질문을 탐구하고, 새로운 촉매 설계 원리로 연결하고자 합니다.