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알칼리 이온의 재발견, ‘구경꾼’ 오명 벗었다

전기화학 반응 결과 물속 반응물과의 화학적 결합 사실 규명

□ 알칼리 금속 이온*에 대한 새로운 연구 결과가 나와 주목된다.

* 알칼리 금속 이온 : 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프랑슘 등 주기율표의 1족 원소에 속하는 금속을 알칼리 금속이라 하며, 자연에서는 주로 양이온 형태로 존재한다.

□ 한국연구재단(이사장 홍원화)은 최창혁 교수(포스텍), 김형준 교수(KAIST), 오형석 박사(KIST)로 구성된 공동연구팀이 알칼리 금속 이온이 전기화학 반응에서 반응물과 결합하여 촉매 역할을 할 수 있다는 사실을 규명했다고 밝혔다.

□ 주기율표 1족에 속하는 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘 등은 ‘알칼리 금속’으로 불리며, 자연에서는 주로 양이온 형태로 존재한다. 대표적인 예로 바닷물 속의 소금이 있다.

○ 이 알칼리 금속 이온들은 물 분자에 둘러싸여 매우 안정된 상태로 존재하며, 쉽게 다른 물질과 반응하지 않는 것으로 알려져 있다.

○ 이러한 이유로 교과서에서는 알칼리 이온을 ‘구경꾼 이온’이라고 정의하고 있으며, 특히 전기화학 반응에서는 전류의 이동을 돕는 정도의 역할로만 이해해 왔다.

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

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

○ 또한, 산소 분자의 진동을 측정한 결과, 이 변화의 원인이 이산화나트륨(NaO2)이라는 새로운 화합물의 생성 때문임을 확인했다. 이는 알칼리 이온이 반응물과 직접 화학적으로 결합할 수 있음을 보여주는 결과로, 기존 교과서의 내용을 뒤집는 발견이다.

□ 이번 연구는 단순히 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 주연”이라며, “전기화학 반응의 효율을 극대화하기 위해서는 전극과 전해질의 특성을 함께 고려하는 통찰력 있는 연구가 필요한데, 이후 실제 상용화된 전기화학 시스템에 적용할 수 있는 추가 연구를 수행할 계획”이라고 밝혔다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터, 나노·소재기술개발사업, 우수연구자교류지원사업(Brain Link)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 촉매 분야 국제학술지 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 12월 21일 게재되었다.

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 (그림1) 알칼리 금속 이온에 의한 반응 제어 메커니즘을 나타낸 모식도

흔히 구경꾼 이온으로 여겨진 알칼리 금속 이온은 기존의 교과서 지식과는 달리, 전기화학 반응에서 촉매 역할을 할 수 있다. 산소를 환원하는 과정에서 금속 이온이 반응물과 결합을 통해 이산화나트륨(NaO2)을 형성하고, 이는 반응성을 결정하는 주요 요소임을 보여준다.

그림설명 및 그림제공 : 포스텍 최창혁 교수

(그림2) 연구자 단체 사진

이번 연구에 참여한 연구자들의 단체 사진. 왼쪽부터 오른쪽으로 한만호 박사, 최창혁 교수, 지상구 박사, 김민호 박사과정생, 김형준 교수, 오형석 박사.

그림설명 및 그림제공 : 포스텍 최창혁 교수

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