과학자들은 팔라듐 나노입자에서 화학적 진동을 발견해 귀금속 촉매 재활용의 길을 열었다

과학자들은 팔라듐 나노입자의 실시간 성장과 수축을 처음으로 촬영해 귀금속 촉매를 활용하고 재활용하는 새로운 길을 열었습니다.

노팅엄 대학교 화학과의 연구자들은 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 액체 환경에서 팔라듐 나노입자의 전체 수명 주기를 관찰했습니다. 핵 생성에서 성장을 거쳐 용해까지, 전체 주기가 여러 번 반복되었습니다. 이 연구는 오늘 Nanoscale 에 게재되었습니다.

금속 나노입자의 가장 중요한 응용 분야 중 하나는 화학 산업의 중추를 형성하는 촉매 작용입니다. 이 분야의 전문가인 Jesum Alves Fernandes 박사는 "팔라듐을 포함하는 촉매 작용의 메커니즘은 수년간 격론을 벌여 왔습니다. 특히 나노스케일에서 균일(용액 내) 촉매와 불균일(나노입자 표면) 촉매의 구분이 모호해졌기 때문입니다.

팔라듐 나노입자가 이 두 모드 사이를 전환할 수 있다는 발견은 이산화탄소 환원 및 암모니아 합성과 같은 순제로 반응을 위한 새로운 효율적인 촉매를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 이러한 지식은 글로벌 공급이 빠르게 감소하고 있는 팔라듐과 같은 중요한 금속의 재활용 및 재사용에 도움이 될 수 있습니다."라고 말했습니다.

열역학의 법칙은 나노입자를 포함한 화학 반응이 한 방향으로 진행되도록 합니다. 진동하는 화학 반응은 인공적인 과정에서는 흔하지 않지만, 열역학적 평형에서 벗어난 생물체에서는 자주 발생합니다.

이러한 화학 진동을 이해하면 혼돈에서 질서로의 전환, 새로운 행동, 동물 털의 패턴, 심지어 지구상의 생명의 기원을 포함하여 자연의 신비 중 일부를 푸는 데 도움이 될 수 있습니다.

노팅엄 대학교에서 개별 분자와 원자의 화학 반응을 실시간으로 직접 공간에서 이미징하는 데 중점을 둔 연구 그룹을 이끄는 Andrei Khlobystov 교수는 "우리는 액체에서 팔라듐 나노입자의 형성을 연구하기 시작했고 TEM 관찰 중에 나노입자가 직접 형성되는 것을 관찰하게 되어 기뻤습니다.

이 나노입자는 팔라듐 염 용액에서 나와 시간이 지남에 따라 더 크고 구조화되었습니다. 놀랍게도 나노입자가 약 5나노미터 크기에 도달하자 용액에 다시 용해되기 시작하여 완전히 사라졌다가 다시 성장했습니다."라고 말했습니다.

나노입자는 액체 풀에서 복잡한 분기 패턴을 생성하여 성장하고 용해되면서 순환적으로 맥동합니다. 그러나 반응이 탄소 나노튜브에 포함된 용액 방울에서 수행될 때(미니어처 시험관 역할을 함) 나노입자의 수명 주기를 원자 분해능으로 관찰할 수 있습니다.

탄소 나노튜브는 프로세스를 늦추어 핵 생성, 성장 및 용해의 초기 단계를 자세히 관찰할 수 있습니다. 이는 결정 면이 있는 원반 모양이 나타나 나노입자와 용매 분자의 상호 작용을 시사합니다.

노팅엄 대학교 화학과의 연구원인 윌 컬 박사는 "이 예상치 못한 현상을 이해하는 열쇠는 전자 현미경이 관찰되는 물질을 변경할 수 있는 강력한 이미징 기술이라는 것을 인식하는 데 있습니다.

이 접근 방식은 종종 전자 빔으로 구조를 조각하는 데 사용되지만, 이 경우 전자 빔의 에너지를 활용하여 탄소-수소 결합을 끊고 용매의 브롬화물 음이온에서 원자가 전자를 대체합니다. 결과적으로 샘플을 이미징하는 동안 화학 반응이 시작됩니다."라고 말했습니다.

측정을 수행한 Rhys Lodge 박사는 이렇게 설명합니다. "우리는 전자빔에 의해 활성화된 용매와 관련된 화학 반응이 팔라듐 이온을 팔라듐 금속으로 환원시키고, 팔라듐 금속을 다시 팔라듐 이온으로 산화시키는 것을 촉진한다고 믿습니다. 이 두 가지 과정 간의 경쟁으로 인해 나노입자는 지속적으로 성장하고 수축하며, 이 두 상태 사이에서 화학적으로 진동합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250326123305.htm