전극 표면 물 분자, 1천조분의 1 초 단위로 관찰

IBS, "차세대 수전해질 전지 개발 활용"

촉매 반응은 금속 전극의 표면에서 일어난다. 전극 표면 근처의 용매 분자들은 이러한 반응 과정에 큰 영향을 미친다. 하지만 전극에 가해지는 전압에 따라 용매 분자들이 어떤 영향을 받는지는 잘 알려지지 않았다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영)은 전압 변화에 따른 금속 전극 표면의 물 분자 움직임을 펨토초 단위에서 관찰하는데 성공했다고 20일 밝혔다. 펨토초(fs)는 1000조 분의 1초의 극히 짧은 시간을 나타내는 단위다.

이를 통해 전기화학 반응에 대한 이해를 높이고, 물을 용매로 쓰는 차세대 수전해질 리튬이온 전지 개발에도 활용할 수 있으리란 기대다. 수전해질 전지는 폭발 위험이 없고 환경 오염 위험도 낮출 수 있다. 이런 가능성을 탐색하기 위해 전극 표면에 있는 물 분자들의 움직임 등 전하와 이온의 변화, 산화-환원 등의 연구에 다양한 분광학적 방법이 활용되고 있다.

기존 방법으로는 전극 표면의 극소량 물 분자들을 직접 관찰하기란 거의 불가능했다. 크기가 매우 작은 분자들을 관찰하기 위해 아주 짧은 레이저 광선을 조사한 뒤 분자들이 만들어내는 시그널을 시간에 따라 관찰하는 시분해 분광법이 널리 쓰였지만, 금속 표면 근처의 물 분자에 의한 신호보다 금속 전극 자체가 만들어내는 신호가 훨씬 커 물 분자 움직임만 선택적으로 측정하긴 어려웠다.

IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 단장(고려대 화학과 교수)과 미국 위스콘신대 화학과 마틴 자니 교수 공동연구팀은 정교하게 설계된 화합물을 금(Au) 전극 표면에 흡착시킨 후 그 탐침 분자에 대한 2차원 진동 분광학 측정을 실시했다. 이와 함께 분자 동력학 시뮬레이션도 동시에 시행했다.

분자동력학 모의실험에 사용된 모델을 나타낸 그림. 양쪽 끝에 세 개의 층으로 이루어진 금(Au) 전극이 있고 왼쪽 전극에는 흡착된 분자가 보이고 반대편 전극과의 사이가 물 분자들로 채워져 있다. (자료=IBS)

2차원 진동 분광학은 연구 대상 물질에 짧은 레이저 빛을 가한 후 시간에 따라 변화하는 2차원 신호를 분석, 분자 구조와 움직임을 탐지하는 방법이다. 분자 동력학 시뮬레이션은 컴퓨터를 이용, 물질을 이루는 원자들의 움직임에 대한 운동방정식을 풀어 물질 내 원자와 분자들의 움직임을 예측하는 방법이다.

연구팀은 두 방법을 접목, 물 분자와 금속 표면에 흡착된 유기 분자 간 상호 작용인 수소결합의 구조 및 물 분자 움직임을 실시간 관찰했다.

또 전극에 가해주는 전압 크기와 부호에 따라 물 분자의 움직임이 달라지는 특이한 현상도 처음 확인했다. 양의 전압을 가하면 물 분자의 움직임이 느려지고, 음의 전압을 가하면 빨라졌다. 전압의 크기에 비례해 변화도 컸다. 이는 전극 표면에 있는 물의 산화 환원 반응 역시 물 분자 움직임과 밀접한 관계가 있을 수 있음을 의미한다.

조민행 단장은 "전기화학반응을 이해하는데 중요한 정보를 제공하는 연구 결과이며, 향후 수전해질을 이용한 배터리 개발 및 응용에 필요한 물리화학적인 통찰을 제시했다"라고 말했다. 향후 순수한 물에 더해 다양한 이온들이 공존하는 상황에서의 전기화학적 계면 현상도 연구할 계획이다.

이 연구 결과는 학술지 '미국국립과학원회보(PNAS)'에 게재될 예정이다.