전압에 따른 물 분자 움직임 세계 최초 펨토초 단위 관찰

기초과학연구원(IBS) 연구팀이 전극 표면에 존재하는 물 분자의 움직임을 전압에 따라 펨토초 단위에서 관찰하는 데 성공했다. 이번 연구 결과는 수전해질 전지 개발에 획기적 진전으로 평가받고 있다.

전압에 따른 물 분자 움직임, 세계 최초로 관찰

기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 미국 위스콘신 화학과 마틴 자니 (Martin T. Zanni) 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 전압에 따른 금속 전극 표면의 물 분자 움직임을 펨토초 단위에서 관찰하는 데 성공했다.

 

▲ 금(Au) 표면의 흡착 분자와 주변의 물 분자들을 나타낸 그림.

전압에 따른 물 분자 움직임 변화

연구팀은 정교하게 설계된 화합물을 금(Au) 전극 표면에 흡착시킨 후 그 탐침 분자에 대한 2차원 진동 분광학 측정과 동시에 분자 동력학 시뮬레이션 방법을 시행했다. 연구팀은 이 2가지 방법을 접목하여 물 분자와 금속 표면에 흡착된 유기 분자간의 상호 작용인‘수소결합’의 구조 및 물 분자 움직임을 실시간 관찰했다.

그 결과, 전극에 가해주는 전압 크기와 부호에 따라 물 분자의 움직임이 달라지는 특이한 현상을 처음으로 확인할 수 있었다. 양의 전압을 가하면 물 분자의 움직임이 느려지고, 음의 전압을 가하면 빨라지는 것과 함께 그 변화의 정도가 전압의 크기에 비례하는 것도 관찰할 수 있었다.

▲ 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.

수전해질 전지 개발에 기여

이 연구 결과는 전기화학 반응을 이해하는데 중요한 정보를 제공하는 연구 결과이며, 향후 수전해질을 이용한 배터리 개발 및 응용에 필요한 물리화학적인 통찰을 제시했다.

수전해질 전지는 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생산하는 장치로, 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 수전해질 전지의 핵심 기술 중 하나는 전극 표면에 존재하는 물 분자의 움직임을 조절하는 것이다. 이번 연구 결과는 전극 표면에 존재하는 물 분자의 움직임을 조절하는 데 중요한 단초를 제공할 것으로 기대된다.

 

▲ 흡착분자와 물분자 사이의 수소결합 상호작용을 나타낸 그림.

기초과학연구원 연구팀 성과

IBS 연구팀은 이번 연구에서 2차원 진동 분광학과 분자 동력학 시뮬레이션을 결합한 새로운 연구 방법을 개발했다. 이 방법을 통해 전극 표면에 존재하는 물 분자의 움직임을 펨토초 단위에서 고해상도로 관찰할 수 있었으며, 이는 기존 연구 방법으로는 불가능했던 연구 성과이다.

IBS 조민행 단장은 “이번 연구 결과는 전기화학반응을 이해하는데 중요한 정보를 제공하는 연구 결과이며, 향후 수전해질을 이용한 배터리 개발 및 응용에 필요한 물리화학적인 통찰을 제시했다”라고 말했다.

 

이 연구결과는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(Preceedings of the national acacemy of sciences, IF 11.1)’에 게재될 예정이다.

 

 

출처 : 기초과학연구원

 

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