촉매 없이 한번에 나노그래핀을 만들었다

UNIST 홍성유·얀 로데 교수팀, 라디칼 연쇄반응 활용한 방법 개발
물질 속 전자가 한쌍을 이루려는 성질이 촉매를 대체할 수 있어

나노 그래핀. 게티이미지 제공

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 홍성유·얀 로데 교수팀이 촉매 없이도 질소가 함유된 나노 그래핀 조각을 만들었다. 연구진이 개발한 합성기술은 귀금속 촉매를 쓰지 않아 합성반응을 좋게 하기위한 전처리 과정이 필요없다. 또한 반응단계도 한번에 끝내 시간과 비용을 절감할 수 있다. 연구진은 향후 정밀화합물, 차세대 고분자·에너지 소재를 만드는데 유용하게 사용될 것이라고 전망했다.

홍성유 교수는 4일 "낮은 반응성을 갖는 것으로 알려진 아진 전구체를 귀금속 '팔라듐' 촉매를 이용하지 않고도 라디칼 반응을 이용해 효과적으로 활용한 사례"라며 "이 같은 방식은 새로운 화학 합성개발에도 활용할 수 있을 것"이라고 내다봤다.

연구진은 라디칼 연쇄반응에 주목했다. 라디칼은 전자를 하나만 갖고 있는 물질을 말하는데, 혼자 있는 전자가 한쌍을 이루려는 성질 때문에 화학적인 연쇄 반응이 일어난다. 연구진은 이 때문에 라디칼 연쇄반응이 촉매 역할을 대신할 수 있다고 설명했다.

연구진은 이 합성법으로 아진 계열 분자 즉, 탄소 고리에 질소가 끼어 있는 분자와 디아릴요오도늄염을 화학적으로 조립해 질소 함유 나노그래핀 조각을 합성했다. 또 라디칼 홀전자의 존재를 직접 관측할 수 있는 분광기법 분석을 통해 정확한 합성 과정도 밝혀냈다.

이번 연구에서 합성 부문은 화학과 이재빈 박사, 정서영, 전지환 박사과정 연구원이 참여했다. 연구진은 "원료를 잘게 분해해 내려오는 방식보다 훨씬 정교하면서도 시간과 비용이 많이 드는 까다로운 단계적 반응 없이 한 단계 반응만으로 질소 함유 나노 그래핀 조각을 만들 수 있는 획기적인 합성법"이라고 설명했다.

또한 분광학 분석은 김건하 박사과정생이 주도했다.

김건하 연구원은 "홀전자의 존재를 직접 관측할 수 있는 전자 상자기 공명법으로 연쇄 라디칼 반응으로 이뤄진 합성법의 원리를 밝혀낼 수 있었다"고 말했다.

얀 로데 교수는 "전문 분야가 다른 두 연구그룹이 긴밀히 상호 협력해 새로운 화학 반응의 개발한 훌륭한 사례"라고 평했다.

한편, 연구 결과는 다학제 분야 전문 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 공개됐다.

[e-mail] 김만기 기자