이동일•심은지•김우재 교수 공동 연구팀, 다양한 ‘초원자 속 초원자’ 나노입자 합성 및 발광 특성 규명
화학 분야 세계적 학술지 ‘Angewandte Chemie’ 표지논문 선정
사진 1. (왼쪽부터) 이동일 교수, 심은지 교수, 김우재 교수, 이한석 통합과정생, 송수환 박사
화학과 이동일 교수 (공동 제1저자: 이한석 통합과정생), 심은지 교수 (공동 제1저자: 송수환 박사), 김우재 교수 공동 연구팀은 다양한 ‘초원자 속 초원자’ 나노입자를 합성하여, 그 독특한 전자구조와 발광 특성을 계산화학과 분광학 실험을 통해 밝혀냈다.
초원자(superatom)란 원소의 전자구조와 성질을 모방할 수 있는 화합물로 주기율표 원소의 종류를 3차원으로 확장할 있는 새로운 개념의 물질로 주목받아 왔다. 예를 들면, 텅스텐-탄소(WC) 화합물이 연료전지, 자동차 배기 가스 촉매 등으로 널리 활용되고 있는 백금(Pt)과 유사한 전자구조를 가지고 있어 희귀금속 백금의 대체 물질로 활발한 연구가 진행되어 왔다. 하지만 대부분의 초원자는 불안정하여 상온×상압 조건에서는 존재하기 어려운 것으로 알려져 있다.
연구팀은 선행연구에서 은(Ag) 원자 25개로 구성된 Ag25 나노 입자가 안정한 초원자 구조체인 점을 이용해 9족 금속인 로듐(Rh)과 수소(H)로 구성된 로듐-수소(RhH) 초원자를 Ag25 입자 중심에 도핑한 ‘초원자 속 초원자’ RhH@Ag24 입자의 합성에 성공한 바 있다 (Angewandte Chemie 2021). 이번 연구에서 연구팀은 ‘초원자 속 초원자’의 개념을 확장하여 또 다른 9족 금속인 이리듐–수소(IrH) 초원자와 8족 금속인 루테늄–이수소(RuH2)와 오스뮴–이수소(OsH2) 초원자를 Ag25 입자에 도핑한 다양한 ‘초원자 속 초원자’ 나노입자의 합성에 성공했다. 더 나아가 RhH와 RuH2가 팔라듐(Pd)과 유사한 오비탈 모양과 전자구조를 가지는 초원자이고, IrH와 OsH2가 백금(Pt)과 유사한 초원자임을 밀도범함수 이론을 이용한 오비탈 모양과 전자 구조 계산을 통해 입증했다.
또한, 연구팀은 합성된 ‘초원자 속 초원자’ 나노입자가 독특한 발광 특성을 보이는 것에 주목하고 그 근원을 시분해 분광학 실험을 통해 체계적으로 연구했다. 연구 결과 ‘초원자 속 초원자’ 나노입자의 발광은 도핑된 초원자에 의해 결정되며, 나노입자의 발광 경로와 비발광 경로는 각각 초원자의 구성 금속과 수소의 개수에 의해 결정됨을 밝혀냈다.
그림 1. (왼쪽) ‘초원자 속 초원자’ 나노입자의 원자구조. (오른쪽) 도핑된 RhH 및 RuH2 초원자는 팔라듐(Pd)과 유사한 전자구조를 가지고, IrH 및 OsH2 초원자는 백금(Pt)과 유사한 전자구조를 갖는다.
이동일 교수는 “다양한 ‘초원자 속 초원자’ 나노입자의 제조를 위한 설계 원리와 초원자 도핑과 발광 특성을 상관 관계를 명확히 밝힌 연구 결과로 앞으로 다양한 기능성을 갖는 ‘초원자 속 초원자’ 나노입자의 합성 및 응용이 기대된다.”며 연구의 의의를 설명했다.
본 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 Carbon-to-X 기술 개발 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 화학 분야 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미 (Angewandte Chemie, IF 16.6)’의 Hot paper 및 표지논문으로 선정되어 8월 14일 게재됐다.
그림 2. 앙게반테 케미 국제판 제62권 제33호 표지 (Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, 33; Inside Back Cover)
논문 정보
논문제목: Superatom-in-Superatom Nanoclusters: Synthesis, Structure, and Photoluminescence
논문주소: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202302591
