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물 분자가 일반적인 촉매인 산화 티타늄 위에 착류하면서, 물은 분해되면서, 한쌍의 하이드록시 라고 분자 조각으로 나뉘어진다. 하지만 과학자들은 얼마나 자주 이런 분해가 일어나는지 알지 못했다. PNNL 과학자들은 물 분자가 하이드록시(OH) 쌍을 형성하기 보다는 촉매 표면에 하나의 조작으로 결합되어 있는 것 같다고 보고했다. 관련 연구는 PNAS에 보고되었다 (DOI: 10.1073/pnas.1613756114). 이번 연구가 중요한 이유는 이산화 티타늄이 연료 생산, 태양 에너지, 식품 안전, 자체 세척창(self-cleaning window) 분야에 다양하게 사용되고 있지만, 촉매에 대한 이해와 물이 어떻게 분해되는지에 대한 이해가 부족했기 때문이다. 많은 산업체에서 이산화 티타늄은 화학 반응을 높이기 위해 사용되어 왔지만, 관련된 모든 비밀은 밝혀내지 못했다. 그 중에서 주요 미스테리는 물과 이산화 티타늄이 어떻게 상호작용하는지에 대한 오래된 논쟁이었다. 이런 상호작용은 물이 분해되는데 있어 중요할 뿐 아니라, 일반적으로 많은 반응에서 영향을 줄 수 있다. 이산화 티타늄의 표면에 물분자는 상호작용을 하고 하이드록시기로 분해되는 것을 이해하기 위해서는, 주어진 시간에 물과 하이드록시 작용기의 비율을 측정할 수 있어야 한다. 비록 여러 가지 방법들이 개발되어 왔지만, 수 십년 동안 제대로된 방법은 수립되지 못한 상태였다. 이를 해결하기 위해, PNNL 연구진은 새로운 방식으로 여러 가지 다른 실험 도구들을 혼합했다. 연구진은 다양한 속도로 물 빔(beam)을 차가운 산화 티타늄에 보내면서 주사터널현미경으로 알려진 매우 높은 해상도 현미경으로 물이 분해되는 과정을 관찰했다. 현미경은 촉매 티타늄과 산소 원자를 시각화 했다. 원자들은 밝고 어두운 행으로 나타났다. 물 분자가 표면에 닿았을 때의 물분자를 관찰할 수 있었으며, 연구팀은 고성능 컴퓨터를 이용해 원자들의 상호작용을 자세히 시뮬레이션할 수 있었다고 밝혔다. 실험과 모의 실험을 통해 연구팀은, 오랫동안 논쟁이 되었던 부분에 대한 명확한 대답을 제공할 수 있었다고 밝혔다. 물 분자가 분해 되는 과정은 티타늄 원자가 물 분자를 잡으면, 표면 위에 있는 산소 원자가 물 분자 위에 있는 수소 원자를 잡아 당긴다. 이렇게 물이 분해되면서 두 개의 하이드록시 쌍이 만들어진다. 즉 하나의 하이드록시기는 표면의 산소와 물의 수소 원자가 결합해서 만들어진 것이며, 다른 하나의 하이드록시기는 물 분자가 분해되면서 생긴 것이다. 또한 과학자들은 얼마나 자주 하이드록시가 형성되는지를 알아냈다. 과학자들은 물이 티타늄 표면에 안착해서 하이드록시 쌍으로 분해되는 온도를 결정했다. 이를 통해 연구팀은 물이 표면 위에 있는 하이드록시 쌍보다 약간만 안정하다는 것을 발견했다. 이번 결과는 과학자들이 촉매에 대해 보다 잘 이해하고 화학 반응에 대한 이해를 향상시키는데 도움이 될 것으로 보인다. |
