KAIST 생명화학공학과 박지민 교수 연구팀이 금 나노입자 촉매 표면에 단일가닥 DNA를 코팅해 촉매 주변의 미세한 화학 환경을 나노미터 수준에서 정밀하게 제어하는 원천기술을 개발했다고 밝혔다.

전기화학 반응에서는 촉매 자체뿐 아니라 촉매 주변의 산도(pH)와 이온 분포 같은 국소 반응 환경이 성능을 좌우한다. 기존에는 특수 고분자 코팅재로 이를 조절해 왔으나 나노미터 수준에서 내부 구조를 정밀하게 설계하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 단일가닥 DNA에 주목했다. DNA는 음전하를 띠어 주변 이온의 이동에 영향을 줄 수 있으며 길이와 염기서열을 자유롭게 설계할 수 있다. 연구팀이 금 나노입자 표면에 다양한 염기서열의 DNA를 결합해 전기화학 반응을 분석한 결과 촉매 성능을 결정하는 핵심 요소가 단순한 코팅층의 두께가 아니라 DNA 염기서열에 따라 형성되는 내부 네트워크 구조라는 사실을 확인했다. 실시간 표면증강라만분광법을 활용한 관찰에서는 DNA 층이 수산화 이온(OH⁻)의 이동을 조절해 촉매 주변의 국소 pH를 변화시키는 기능성 계면층으로 작동한다는 사실도 직접 확인됐다.

연구팀은 이 기술을 수소 발생 반응과 글리세롤 산화 반응에 적용했다. DNA 염기서열에 따라 수소 생산 효율이 달라졌으며 화장품·의약품 원료로 활용되는 글리세르산의 생성 선택도도 향상됐다. 복잡한 촉매 구조를 새로 만들지 않고도 DNA 서열 조정만으로 원하는 반응 결과를 얻을 수 있음을 보여준 결과다.

박지민 교수는 "DNA 서열 설계를 통해 촉매 표면의 산도와 이온 이동을 조절함으로써 향후 수소 생산과 바이오매스 전환 등 탄소중립 기술 전반에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

한편, 이번 연구 결과는 지난 5월 국제 학술지 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 게재됐다.

헬로티 구서경 기자 |