비탄소계 친전자 치환반응 메커니즘 규명
- 수소차용 연료 저장용량 및 반응속도 개선 기대

 

한상수 박사(한국과학기술연구원) 연구팀이 유기물 반응에서만 일어나는 친전자 치환반응(SE2 반응)이 무기물에서도 유사한 방식으로 일어날 수 있음을 양자계산을 통해 규명하였으며, 이는 수소저장 물질에 적용 가능하다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.
   * 치환반응 : 특정 화합물의 작용기(같이 움직이는 최소단위 원자집단)가 다른 작용기로 교체되는 반응

   * SE2(Electrophilic substitution reaction with one step) 반응 : 전자와 결합하기 좋아하는 성질을 가진 ‘친전자 작용기’에 양(+)전하를 띄는 화합물이 반응을 일으키는 것으로, 일반적으로 탄소계 화학반응에서만 일어난다고 알려져 있음

이 연구결과는 미국국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A.) 12월 12일자 온라인판에 게재되었다.
   * 논문명: SE2 reaction in noncarbon system: Metal halide catalysis for dehydrogenation of ammonia borane

   * 저자정보 : 배성진 박사(제1저자, 한국과학기술연구원 위촉연구원) 및 한상수 박사(교신저자, 한국과학기술연구원 책임연구원) 총 2명

[그림 1] 암모니아 보레인과 염화철(FeCl2) 촉매 사이의 친전자 치환 (SE2) 반응 모식도.

수소(H2)저장 기술은 차세대 에너지원인 수소에너지 분야의 핵심 기술로서, 연료전지 작동 온도인 80℃ 근방에서 원활한 수소 저장 및 방출이 가능한 소재를 찾는 것을 목표로 하고 있다. 암모니아 보레인(ammonia borane; NH3BH3)은 비탄소계 무기물로서 차세대 수소저장 물질로 평가받고 있다. 하지만 수소방출을 위해서는 200℃ 정도의 높은 온도가 필요하다는 문제가 있다. 이러한 단점 극복을 위해 수소 방출 온도를 낮추기 위한 촉매로 금속할로겐족(염화철(FeCl2), 염화망간(MnCl2) 등)을 이용해 실험적으로 연구하여 왔으나, 그 반응메커니즘에 대해서는 밝혀진 바가 없었다.

[그림 2] 염화철 촉매를 이용한 암모니아 보레인의 수소생성 반응경로.

하지만 이번 연구에서 금속할로겐족 촉매로 인한 암모니아 보레인의 수소생성반응이 ‘비탄소계 SE2’ 반응이라는 것을 처음으로 밝혀냈다. 금속할로겐족 촉매의 금속원자가 친전자 작용기로 작용하고, 보레인(borane; BH3) 작용기가 탈착화합물 역할을 하여 암모니아 보레인내에서 수소방출시 SE2 반응을 거친다는 사실을 양자계산을 통해 밝혔고, 실험데이터와 일치함을 증명했다. 이번 연구성과를 통해 기존에 합성하지 못했거나, 효율적이지 못했던 수소저장물질 및 무기화합물의 반응경로에 대해 새로운 가능성을 열게 되었다.한상수 박사는 “수소저장 물질의 촉매 반응 메커니즘 규명으로 더 우수한 성능을 갖는 관련 물질 개발에 대한 기반을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있고, 나아가 무기화학반응의 확장 가능성을 통해 좀 더 다채로운 소재를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

[그림 3] 고체 계면에서의 제일원리 분자동력학 계산결과

 

 

이 연구성과는 과기정통부 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행되었다.

 

Posted by KIST PR

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