신세대 촉매, 페로브스카이트

[객원 에디터 3기 / 김예은 기자] 페로브스카이트는 태양광에 사용되는 신세대 촉매이다. 페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물이며 높은 열전 효과, 초전도성, 거대한 자기 저항 등 다양한 특성으로 센서, 촉매, 레이저, 메모리 장치로 유용하게 쓰인다. 페로브스카이트는 기존의 실리콘 태양전지보다 제조하기 간편하고 유연성과 높은 광 변환 효율로 인해 미래의 태양전지의 중심이 될 전망이다. 한국화학연구원(KRICT)과 미국 매사추세츠 공대(MIT)의 연구결과에 따르면 페로브스카이트의 태양전지 효율은 약 25.2% 까지 도달했으며 기존의 사용되던 실리콘 태양전지를 가격과 효율성 차원에서 대체할 것으로 주목받고 있다.

촉매 (catalyst)란 화학반응의 속도를 증가시키거나 감소시키지만, 그 과정에서 촉매 자체는 소모되지 않는다. 자세하게 설명하자면, 촉매는 주로 화학반응에 참여하여 생성물의 결합 구조에 차이가 없고 반응 속도를 증가 또는 감소시키며 화학반응에서 소모되지 않는다. 촉매는 전자 (electron)를 주고받으며 화학적 결합에 변화가 생기게 하여 화학반응에 참여하는 방식이다. 촉매를 이용함으로써 반응 속도를 촉진시키는데, 촉매는 석유정제와 화학제품 제조, 환경보전 및 에너지 분야 등 여러 용도로 사용되고 모든 생명체의 몸 안에도 존재한다.

촉매가 반응 속도를 빠르게 해주는 이유는 화학 반응이 일어나기 위한 최소 에너지를 바꿔주기 때문이다. 에너지가 높아진다면 화학 반응이 일어나기 어려워져 반응이 매우 천천히 진행하게 되지만 화학 반응에 필요한 에너지가 낮아진다면 화학 반응이 일어나기 쉬워진다. 

촉매는 두 가지, 즉 균일 촉매와 불균일 촉매로 나누어진다. 균일 촉매와 불균일 촉매의 차이는 화학반응이 일어날 때 물질과 촉매가 반응하는 상태가 같은지 다른지에 따라 나뉜다. 균일 촉매는 화학반응의 상태가 촉매의 상태와 같을 때이고, 불균일 촉매는 반대로 화학반응의 상태가 촉매와 서로 다를 때다. 예를 들어, 프레온가스가 빛을 받아 오존을 분해하는 촉매인 염소를 만들었을 때, 오존과 염소는 둘 다 기체 상태이므로 균일 촉매로 분류된다. 반면, 암모니아를 만드는 과정에서 필요한 촉매인 철의 경우 반응하는 물질들은 기체이지만 촉매는 고체임으로 불균일 촉매이다. 대표적인 촉매 물질로는 백금 (platinum), 바나듐 (vanadium), 로듐 (Rhodium) 등 희귀 금속들이 주로 사용된다.

모든 생명체에는 촉매가 존재한다. 생명체 안에 존재하는 촉매는 효소라고 불리는데 대부분 단백질로 이루어져 있다. 몸 안에 있는 촉매는 정해진 온도를 벗어나게 되면 촉매 자체의 기능, 화학반응 속도를 증가 혹은 감소시키는 기능을 상실하기 때문에 효소가 가장 잘 작동하는 35~40도를 벗어나게 되면 효소의 능력이 더디게 발휘된다. 몸 안에 존재하는 대표적인 효소는 소화효소이다. 소화효소는 입으로 통해 들어온 음식물을 작게 만들어 몸으로 흡수되도록 도와주는 역할을 한다. 

촉매는 여러 분야에서 인류 과학 발전의 한 축을 담당하고 있다. 촉매와 신소재의 개발은 우리가 불가능하게 여겼던 도약을 이루어 낼 수 있을 것이며 우리 삶의 질을 바꾸는 데 큰 역할을 할 것이다.