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(대전= 정찬욱 기자 = 한국연구재단은 포항공대(포스텍) 최창혁·한국과학기술원(KAIST) 김형준 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 오형석 박사 공동연구팀이 알칼리 금속 이온이 전기화학 반응에서 반응물과 결합해 촉매 역할을 할 수 있다는 사실을 규명했다고 21일 밝혔다.

주기율표 1족에 속하는 리튬·나트륨·칼륨·세슘 등은 '알칼리 금속'으로 불리며, 자연에서는 주로 양이온 형태로 존재한다. 대표적인 예가 바닷물 속의 소금이다.

알칼리 금속 이온은 자연에서는 주로 양이온 형태로 물 분자에 둘러싸여 있어 매우 안정된 상태로 존재해 쉽게 다른 물질과 반응하지 않는 것으로 알려져 있다.

이 때문에 알칼리 이온은 '구경꾼 이온'이라고 정의된다. 특히 전기화학 반응에서는 전류의 이동을 돕는 정도의 역할로만 이해해 왔다.

연구팀은 알칼리 금속 이온이 구경꾼 역할에서 벗어나 전기화학 반응에 직접 참여하고, 심지어 반응성을 제어할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 연료전지와 배터리 등에 널리 사용되는 탄소전극에서 산소가 물로 변환되는 전기화학 반응을 관찰했다. 이때 나트륨 이온의 전자 구조에 예기치 못한 변화가 발생한 것을 발견했다.

또 산소 분자 진동 측정 결과, 이 변화의 원인이 이산화 나트륨(NaO2)이라는 새로운 화합물 생성 때문임을 확인했다.

이는 알칼리 이온이 반응물과 직접 화학적으로 결합할 수 있음을 보여주는 결과로, 기존 내용을 뒤집는 발견이라고 연구팀은 설명했다.

이번 연구는 단순한 전극 개발에만 초점을 맞추던 기존 연구에서 벗어나 연료전지, 수전해, 탄소 자원화 등 새로운 에너지 경제의 핵심 기술을 제어하는 새로운 접근법을 제시한 것으로 평가된다.

최창혁 교수는 "알칼리 금속 이온은 전기화학 반응에서 더 이상 조연이 아닌, 반응을 변화시키는 촉매와 같은 주연인 것"이라며 "실제 상용화된 전기화학 시스템에 적용할 수 있는 추가 연구를 수행할 계획"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 촉매 분야 국제학술지 '네이처 카탈리시스'(Nature Catalysis)'에 실렸다.