이동일‧심은지‧김우재 교수팀, 다양한 ‘초원자 속 초원자’ 나노입자 합성 및 발광 특성 규명

화학 분야 세계적 학술지 ‘Angewandte Chemie’ 표지논문 선정

[사진. (왼쪽부터) 이동일 교수, 심은지 교수, 김우재 교수, 이한석 통합과정생, 송수환 박사]

이과대학 화학과 이동일 교수(공동 제1저자: 이한석 통합과정생), 심은지 교수(공동 제1저자: 송수환 박사), 김우재 교수 공동 연구팀은 다양한 ‘초원자 속 초원자’ 나노입자를 합성해, 그 독특한 전자구조와 발광 특성을 계산화학 및 분광학 실험을 통해 밝혀냈다.

‘초원자(superatom)’란 원소의 전자구조와 성질을 모방할 수 있는 화합물로, 주기율표 원소의 종류를 3차원으로 확장할 수 있는 새로운 개념의 물질로 주목받아 왔다. 예를 들면, 텅스텐-탄소(WC) 화합물은 연료전지, 자동차 배기가스 촉매 등으로 널리 활용되고 있는 백금(Pt)과 유사한 전자구조를 가지고 있어 희귀금속 백금의 대체 물질로 활발한 연구가 진행돼 왔다. 하지만 대부분의 초원자는 불안정해 상온‧상압 조건에서는 존재하기 어려운 것으로 알려져 있다.

연구팀은 선행 연구에서 은(Ag) 원자 25개로 구성된 Ag25 나노입자가 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 확장해 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 전자구조 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 특성의 상관관계를 명확히 밝힌 연구 결과”라며 “앞으로 다양한 기능성을 갖는 ‘초원자 속 초원자’ 나노입자의 합성 및 응용이 기대된다.”고 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 핫 페이퍼(Hot paper) 및 표지논문으로 선정돼 8월 14일 게재됐다. 

[그림 2. 앙게반테 케미 국제판 제62권 제33호 표지 (Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, 33; Inside Back Cover)]

논문정보

● 논문제목: Superatom-in-Superatom Nanoclusters: Synthesis, Structure, and Photoluminescence

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/anie.202302591