최근 미국 툴레인대 연구팀이 금이 산화에 매우 강하고 광택을 쉽게 잃지 않는 근본적인 이유를 원자 수준에서 처음으로 밝혀낸 최신 결과를 발표했다. 연구에 따르면 금 표면의 일부 원자는 산소와 만나면 자발적으로 재배열되어 "보이지 않는 방패"와 유사한 구조를 형성하여 산소 분자와 금 사이의 화학 반응을 크게 방해하는 것으로 나타났습니다.
오랫동안 일반적으로 금은 금 원자와 산소 사이의 상호 작용이 약하기 때문에 색이 쉽게 변하지 않는다고 믿어 왔습니다. Tulane University의 화학 공학 부교수인 Matthew Montemore는 이러한 전통적인 설명이 불완전하다고 지적합니다. 그들의 연구는 가장 일반적인 두 가지 금 표면 구조에서 표면 원자가 보다 안정적인 배열로 재구성되고 재배열되어 산화 반응에 대한 금의 저항이 크게 증가한다는 사실을 발견했습니다.
Montemore와 공동 저자인 화학 및 생물분자 공학과의 박사후 연구원인 Santu Biswas는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 산소 분자가 두 개의 일반적인 금 표면과 접촉하는 과정을 자세히 모델링했습니다. 결과는 금 표면의 원자가 재배열되지 않은 채로 남아 있으면 산소 분자가 쪼개져 금과 반응할 가능성이 더 높다는 것을 보여줍니다. 표면이 재구성되면 금과 산소의 반응 속도는 약 10억~1조배 감소하게 되는데, 이는 원자 수준에서 산화를 거의 차단하는 장벽을 형성하는 것과 같다.
이 연구는 금의 장기적인 변색에 대한 새로운 물리적, 화학적 설명을 제공하고 금 장신구 및 기타 금 제품이 오랜 기간, 심지어 수백 년 동안 안정적인 외관을 유지할 수 있는 이유를 더 설명합니다. 동시에, 이 메커니즘은 촉매 과학에도 중요한 의미를 갖습니다. 현재 일부 산업 산화 반응에는 금 기반 촉매가 사용되어 왔지만, 산소 분자 분해에 대한 금의 "본질적인 저항성"으로 인해 화학 생산 및 에너지 응용 분야에서의 반응성이 어느 정도 제한됩니다.
금과 팔라듐의 조합을 사용하는 촉매 시스템은 비닐 아세테이트와 같은 화학 제품 생산에 사용되었습니다. 금 촉매는 자동차 배기 일산화탄소 제거 및 프로필렌 산화물 준비와 같은 분야에 사용하기 위해 연구되었습니다. 몬테모어는 산소 분자를 더 쉽게 분리할 수 있는 방식으로 금을 속일 수 있다면 금은 다양한 중요한 산업 반응을 위한 효율적인 촉매 물질이 될 수 있다고 말했습니다. 본 연구에서 제안된 새로운 아이디어는 금 표면의 원자 재구성을 방지하거나 역전시켜 반응성을 향상시키기 위해 표면 형상을 근본적으로 변경하는 것입니다.
과거에는 금의 촉매 성능을 향상시키려는 노력이 금을 다른 금속과 합금하거나 산화물 지지체에 나노 규모의 금 입자를 지지하는 데 중점을 두었습니다. 이번 연구 결과는 금 표면의 기하학적 구조를 직접 설계하고 원자 배열 패턴을 제어하는 것이 금의 반응성을 향상시키는 또 다른 효과적인 방법이 될 수 있음을 시사한다. 관련 논문은 "산소에 대한 금의 불활성에서 재구성의 역할"이라는 제목으로 Physical Review Letters에 게재되었습니다.