촉매의 원리(정촉매 및 부촉매)

촉매는 화학 반응의 속도를 변화시키지만, 반응이 끝난 후 자신은 소모되지 않고 원래 상태로 남아 있는 물질이다. 촉매는 반응물과는 다른 경로, 즉 더 낮은 활성화 에너지를 요구하는 새로운 반응 경로를 제공함으로써 반응 속도를 증가시킨다. 이 과정에서 촉매는 반응의 열역학적 평형 상수나 반응의 방향성 자체는 변화시키지 않는다[1].

촉매의 주요 역할은 반응 속도를 가속화하여 원하는 생성물을 더 효율적이고 경제적으로 얻는 것이다. 이는 에너지 소비를 줄이고, 부산물 생성을 최소화하며, 공정 조건을 더 온화하게 만드는 데 기여한다. 예를 들어, 암모니아 합성에 사용되는 철 촉매 없이는 산업적 규모의 생산이 거의 불가능하다.

촉매는 반응 중에 일시적으로 반응물과 결합하여 불안정한 중간체인 활성화 복합체를 형성한 후, 생성물을 방출하면서 원래 상태로 재생된다. 이 순환 과정을 통해 소량의 촉매로도 대량의 반응물을 처리할 수 있다. 촉매의 이러한 특성은 화학 산업, 환경 기술, 생명 공학 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 한다.

화학 반응이 일어나기 위해서는 반응물 분자들이 충분한 에너지를 가져야 한다. 이 최소 에너지 장벽을 활성화 에너지라고 한다. 촉매는 이 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응 속도를 증가시킨다. 촉매는 반응 경로를 변경하여 더 낮은 에너지 장벽을 가진 새로운 반응 중간체를 형성하게 한다.

반응 속도는 활성화 에너지에 지수 함수적으로 의존한다. 아레니우스 방정식은 이를 정량적으로 나타내며, 활성화 에너지가 낮아지면 반응 속도 상수가 크게 증가한다. 촉매의 존재는 반응의 열역학적 평형 상수나 자유 에너지 변화(ΔG)는 바꾸지 않는다. 즉, 반응의 시작과 끝 상태는 동일하지만, 그 사이의 경로와 필요한 에너지 장벽만을 변경한다.

이 원리는 정촉매와 부촉매 모두에 적용되지만, 그 효과는 정반대이다. 정촉매는 활성화 에너지를 낮추어 반응을 촉진하는 반면, 부촉매는 촉매의 활성 부위를 차지하거나 변형시켜 실질적인 활성화 에너지를 높이거나 반응 경로를 차단함으로써 반응을 억제한다.

불균일 촉매 작용의 핵심은 반응물 분자가 촉매 표면에 흡착되는 과정에서 시작된다. 기체나 액체 상태의 반응물 분자는 촉매의 활성 자리에 물리적 또는 화학적으로 결합된다. 특히 화학 흡착은 반응물 분자와 촉매 표면 원자 사이에 화학 결합이 형성되어 분자의 구조를 변화시키는 데 중요하다. 이 흡착 과정은 분자 내 결합을 약화시키거나 극성을 변화시켜, 반응이 일어나기 쉬운 상태로 만든다.

흡착된 반응물 분자들은 촉매 표면에서 서로 접촉하거나 재배열되어 활성화 복합체를 형성한다. 활성화 복합체는 반응물과 생성물 사이의 불안정한 중간 상태로, 일반적인 비촉매 반응에서보다 훨씬 낮은 활성화 에너지 장벽을 가진다. 촉매는 반응 경로를 변경하여 이 새로운, 더 낮은 에너지 경로를 제공하는 매개체 역할을 한다. 표면에서의 이 과정은 반응 속도를 크게 증가시키는 동시에 촉매 자체는 소모되지 않는다.

최종적으로, 생성물 분자는 촉매 표면에서 탈착되어 반응계로 방출된다. 이로 인해 촉매의 활성 자리는 다시 비게 되어 새로운 반응물 분자의 흡착이 연속적으로 일어날 수 있다. 이러한 흡착-반응-탈착의 순환 과정은 촉매가 소량으로도 반응을 반복적으로 촉진할 수 있는 이유이다.

정촉매가 반응 속도를 높이는 핵심 메커니즘은 반응물 분자가 더 낮은 활성화 에너지의 새로운 경로를 통해 생성물로 전환되도록 하는 것이다. 촉매는 반응물과 일시적인 중간체(활성화 복합체)를 형성하여 반응 경로를 변경한다. 이 새로운 경로는 원래 반응보다 에너지 장벽이 낮아, 동일한 온도에서 더 많은 분자가 반응에 참여할 수 있게 한다. 촉매 자체는 이 과정에서 소모되지 않고 반복적으로 사용된다.

반응 메커니즘은 일반적으로 여러 단계로 이루어진다. 첫 단계는 반응물 분자가 촉매 표면 또는 활성 부위에 흡착되거나 결합하는 것이다. 이어서 촉매-반응물 중간체가 형성되고, 화학 결합의 재배열이 일어난다. 마지막으로 생성물이 촉매에서 탈착되어 방출되고, 촉매는 원래 상태로 회복되어 다음 촉매 주기를 준비한다. 예를 들어, 불균일 촉매에서의 수소화 반응은 수소 분자의 해리 흡착, 기질의 흡착, 표면에서의 반응, 생성물의 탈착 단계를 거친다.

이러한 메커니즘은 촉매의 선택성을 결정짓는 핵심이다. 특정 촉매는 반응물과의 상호작용 방식이 다르기 때문에, 여러 가능한 반응 경로 중 하나만을 선호하여 원하는 생성물만을 높은 수율로 얻을 수 있게 한다. 예를 들어, 제올라이트 촉매의 규칙적인 미세 기공 구조는 분자 크기에 따라 반응물을 선별하여 특정 반응만 일어나게 한다.

정촉매의 선택성은 특정 반응물로부터 여러 가능한 생성물 중 하나를 선호하여 생성하는 능력을 의미한다. 이는 촉매의 표면 구조, 활성 부위의 기하학적 배열, 전자적 성질에 의해 결정된다. 예를 들어, 니켈 촉매 위에서 에틸렌의 수소화 반응은 에탄을 주로 생성하지만, 다른 금속 촉매를 사용하면 중합 반응이 일어날 수 있다. 이러한 선택성 덕분에 원하는 생성물의 수율을 높이고 불필요한 부산물 생성을 억제하여 공정 효율을 극대화할 수 있다.

특이성은 선택성보다 더 좁은 개념으로, 촉매가 단 하나의 반응물 또는 반응 유형에만 작용하는 정도를 나타낸다. 효소는 특이성의 대표적인 예로, 기질 특이성을 보인다. 효소의 활성 부위는 특정 기질의 모양, 크기, 전하 분포에 정확히 맞도록 설계되어 있어, 오직 그 기질과만 결합하여 반응을 촉진한다. 이는 자물쇠와 열쇠 모델로 비유되어 설명된다[2].

선택성과 특이성은 촉매 설계의 핵심 목표이다. 이를 제어하기 위해 촉매의 조성, 구조, 담체를 조절한다. 예를 들어, 제올라이트와 같은 미세다공성 물질은 분자의 크기와 모양에 따라 반응물을 선별할 수 있어 분자체 촉매로 작용한다. 또한, 금속 나노입자의 크기나 결정면을 조절하여 특정 반응 경로만을 선호하도록 만들 수 있다.

부촉매는 촉매 반응에서 촉매의 활성을 감소시키거나 완전히 억제하는 물질이다. 이는 정촉매와 반대되는 역할을 하며, 촉매 중독의 주요 원인으로 작용한다. 부촉매는 촉매 표면의 활성 자리에 강하게 흡착되거나, 촉매와 화학적으로 반응하여 비활성 물질을 형성함으로써 작용한다.

부촉매의 작용 방식은 주로 물리적 차단과 화학적 변형으로 구분된다. 물리적 차단은 부촉매 분자가 촉매의 활성 자리를 단순히 덮어 반응물의 접근을 방해하는 방식이다. 화학적 변형은 부촉매가 촉매와 화학 결합을 형성하여 활성 자리의 전자 구조나 표면 구조를 영구적으로 변경시키는 경우이다. 예를 들어, 황화수소(H₂S)는 많은 금속 촉매와 반응하여 금속 황화물을 생성하여 촉매를 비활성화시킨다.

이러한 작용의 결과, 촉매의 활성, 선택성, 수명이 크게 저해된다. 부촉매의 영향은 농도에 의존적이며, 일부 경우에는 가역적이지만 대부분 비가역적 중독을 유발한다. 따라서 산업 공정에서는 원료 정제나 보호층 설치 등을 통해 부촉매의 유입을 최소화하는 것이 중요하다.

부촉매는 촉매의 활성 부위에 물리적으로 또는 화학적으로 강하게 결합하여, 반응물이 접근하거나 흡착되는 것을 차단하는 방식으로 작동한다. 주요 저해 메커니즘은 활성 부위의 차폐, 활성 부위와의 화학적 반응, 또는 촉매 표면 구조의 변화로 구분할 수 있다.

활성 부위 차폐는 부촉매 분자나 이온이 촉매의 활성 중심에 강하게 흡착되어 반응물의 접근을 물리적으로 막는 경우이다. 예를 들어, 고체 촉매의 표면에 중금속 불순물이 침적되면 반응이 일어나야 할 위치를 가려버린다. 화학적 반응에 의한 저해는 부촉매가 활성 부위와 화학 결합을 형성하여 촉매의 본래 화학적 성질을 변화시키는 경우이다. 이는 촉매의 전자 구조를 변경하거나 비활성 화합물을 생성하여 촉매 기능을 상실하게 만든다.

부촉매의 영향은 그 농도와 결합 강도에 크게 의존한다. 경우에 따라 극소량의 부촉매만으로도 촉매 전체의 활성이 현저히 떨어지는 경우가 있다. 저해 메커니즘의 유형은 촉매와 부촉매의 조합에 따라 다르며, 그 결과는 다음과 같이 분류할 수 있다.

이러한 저해는 종종 가역적이지 않아 촉매의 활성을 영구적으로 떨어뜨리며, 이 현상을 촉매 중독이라고 부른다. 따라서 산업 공정에서는 원료 정제나 보호층 설치 등을 통해 부촉매 물질의 유입을 철저히 차단하는 것이 중요하다.

부촉매에 의해 촉매의 활성이 영구적으로 또는 반영구적으로 저하되는 현상을 촉매 중독이라고 한다. 이는 촉매 표면의 활성 자리가 물리적으로 차단되거나, 활성 성분과 화학적으로 결합하여 비활성 물질을 형성하기 때문에 발생한다. 중독은 촉매의 활성, 선택성, 수명에 치명적인 영향을 미치며, 공정 경제성을 저해하는 주요 요인이다.

촉매 중독의 주요 메커니즘은 다음과 같이 분류할 수 있다.

촉매의 비활성화는 중독 외에도 열적 요인이나 기계적 요인에 의해서도 발생한다. 소결 현상은 고온 작동 조건에서 촉매 입자가 뭉쳐지면서 총 표면적이 감소하여 활성을 잃는 과정이다. 또한, 반응 중 생성된 코크나 중합체에 의한 기공 막힘, 촉매 입자의 마모나 분쇄와 같은 물리적 손상도 비활성화의 원인이 된다. 이러한 비활성화를 완화하거나 복구하기 위해 촉매 재생 공정이 사용되지만, 중독의 경우 화학적 변화가 가역적이지 않아 재생이 매우 어렵거나 불가능한 경우가 많다.

균일 촉매는 반응물과 같은 상(phase)에 존재하는 촉매이다. 대표적으로 액체 반응물에 용해된 산이나 염기 촉매, 기체 반응 혼합물에 포함된 질소 산화물 등이 있다. 이들은 반응물 분자와 균일하게 섞여 화학적 상호작용을 통해 활성화 에너지를 낮춘다. 일반적으로 반응 메커니즘을 명확히 규명하기가 비교적 용이하며, 높은 선택성을 보이는 경우가 많다. 그러나 반응 종료 후 촉매를 반응 혼합물로부터 분리하고 재사용하기가 어려운 경우가 많다는 단점이 있다.

반면, 불균일 촉매는 반응물과 다른 상에 존재하는 촉매이다. 고체 촉매 표면에서 기체나 액체 반응물이 반응하는 경우가 대표적이다. 촉매의 표면적이 클수록 많은 활성 자리를 제공하므로, 다공성 구조를 가진 담체에 활성 성분을 담지하여 사용하는 것이 일반적이다. 반응은 주로 촉매 표면의 활성 자리에서 반응물이 흡착되어 이루어진다. 반응 후 촉매는 필터링이나 침전 등의 물리적 방법으로 쉽게 분리되어 재생 및 재사용이 가능하며, 이는 산업 공정에서 큰 장점으로 작용한다.

두 촉매의 주요 특성을 비교하면 다음과 같다.

불균일 촉매는 분리와 재생의 용이성으로 인해 석유 화학 공정이나 자동차 촉매 변환기와 같은 대규모 산업 응용 분야에서 널리 사용된다. 반면, 균일 촉매는 높은 선택성이 요구되는 정밀 화학 합성, 예를 들어 비대칭 합성이나 중합 촉매 분야에서 중요한 역할을 한다.

생물 촉매는 효소라고 불리며, 생물체 내에서 일어나는 거의 모든 화학 반응을 매개하는 단백질 기반의 촉매이다. 효소는 높은 선택성과 특이성을 보이며, 매우 온화한 조건(상온, 상압, 수용액)에서 반응을 빠르게 진행시킨다. 각 효소는 특정한 기질과 결합하여 반응을 촉매하는데, 이는 효소 분자의 특정 부위인 활성 부위의 구조가 기질의 구조와 정확히 맞아떨어지는 자물쇠와 열쇠 가설 또는 유연한 적응을 설명하는 유도 적합 모델로 설명된다.

효소의 작용 원리는 일반 촉매와 마찬가지로 반응의 활성화 에너지를 낮추는 데 있다. 효소-기질 복합체를 형성함으로써 반응 중간체인 활성화 복합체를 안정화시키고, 반응 경로를 변경하여 더 낮은 에너지 장벽을 가진 새로운 경로를 제공한다. 효소의 활성은 온도, pH, 기질 농도, 그리고 억제제나 활성제와 같은 조절 물질의 존재에 크게 영향을 받는다.

효소는 그 작용 방식에 따라 크게 여섯 가지 주요 부류로 분류된다[3].

이러한 효소는 식품 가공(당 분해, 치즈 제조), 의약품(약물 합성, 진단 키트), 세제, 바이오에탄올 생산 등 다양한 산업 분야에서 널리 응용된다. 최근에는 효소의 안정성과 효율을 높이기 위한 효소 고정화 기술과 단백질 공학을 통한 효소 개량 연구가 활발히 진행되고 있다.

촉매의 성능을 평가하는 핵심 지표는 활성, 선택성, 안정성이다. 이 세 가지 특성은 상호 연관되어 있으며, 실제 공정에서 촉매를 선택할 때 고려되는 가장 중요한 요소이다.

활성은 촉매가 반응 속도를 얼마나 증가시키는지를 나타내는 척도이다. 일반적으로 단위 시간당, 단위 촉매 질량 또는 단위 표면적당 전환된 반응물의 양으로 정의된다. 활성은 촉매의 표면적, 활성 중심의 수와 구조, 흡착 강도 등에 크게 의존한다. 활성이 높을수록 동일한 양의 생성물을 얻기 위해 필요한 반응 조건(온도, 압력)이 완화되거나 반응 시간이 단축되어 경제성이 향상된다.

선택성은 촉매가 복수의 가능한 반응 경로 중에서 원하는 생성물로만 반응을 유도하는 능력을 의미한다. 특히 복잡한 유기 합성이나 석유 화학 공정에서 선택성은 활성보다 더 중요할 수 있다. 선택성이 낮으면 원하지 않는 부산물이 많이 생성되어 분리와 정제 비용이 증가한다. 촉매의 선택성은 활성 중심의 기하학적 구조와 전자적 성질에 의해 결정되며, 이를 통해 특정 반응물 분자나 특정 결합만을 선택적으로 활성화한다.

안정성은 촉매가 장시간 운전 중에 그 활성과 선택성을 유지하는 능력이다. 촉매의 성능 저하, 즉 비활성화는 여러 요인에 의해 발생한다.

이상적인 촉매는 높은 활성과 선택성을 장기간 안정적으로 유지해야 하며, 이 세 특성 사이의 최적 균형을 찾는 것이 촉매 설계의 핵심 과제이다.

촉매의 재생은 사용 중 성능이 저하된 촉매를 처리하여 원래의 활성을 회복시키거나 부분적으로 복원하는 공정이다. 촉매 수명은 촉매가 허용 가능한 활성과 선택성을 유지하며 작동할 수 있는 총 기간 또는 처리량을 의미한다. 촉매의 수명은 경제성과 공정 안정성을 결정하는 핵심 요소이다.

촉매 성능 저하의 주요 원인은 코킹에 의한 표면 피복, 불순물에 의한 촉매 중독, 소결에 의한 활성 표면적 감소, 기계적 마모 등이다. 재생 방법은 저하 원인에 따라 달라진다. 코킹된 촉매는 고온에서 산소나 수증기를 통과시켜 탄소 침적물을 연소시켜 제거한다. 일부 불균일 촉매는 화학적 세정이나 재활성화제 처리로 재생되기도 한다. 그러나 촉매 중독으로 인해 활성 중심이 영구적으로 파괴된 경우, 재생이 불가능하며 촉매를 교체해야 한다.

촉매 수명을 연장하기 위한 전략은 다음과 같다.

촉매의 수명은 경제적 평가의 중요한 지표이다. 촉매 비용, 재생 비용, 교체 주기, 재생 시 공정 중단에 따른 손실 등을 종합적으로 고려하여 최적의 운영 전략을 수립한다. 장수명 촉매 개발은 폐촉매 발생량 감소와 자원 효율성 향상 측면에서 환경적 이점도 제공한다.

촉매는 현대 화학 산업의 핵심 요소로, 다양한 합성 및 정제 공정에서 반응 속도를 높이고 원하는 생성물의 수율을 극대화하는 데 필수적이다. 특히 대규모 생산이 이루어지는 공정에서는 촉매의 효율이 경제성과 환경 부하를 결정하는 중요한 변수가 된다.

합성 공정에서 촉매는 주로 새로운 화학 결합을 형성하는 반응에 사용된다. 대표적인 예로 암모니아의 합성을 위한 하버-보슈법이 있으며, 이 공정에서는 철 기반의 촉매가 질소와 수소 분자를 활성화시켜 반응 효율을 획기적으로 높인다. 또한 폴리올레핀이나 합성 고무와 같은 고분자 물질을 생산할 때는 지글러-나타 촉매와 같은 금속 착물 촉매가 단량체의 특정 방향으로의 선택적 중합을 가능하게 한다. 이러한 촉매는 반응물을 흡착시켜 활성화 복합체를 형성함으로써 반응 경로를 변경하고, 더 낮은 활성화 에너지를 갖는 새로운 메커니즘을 제공한다.

정제 공정에서는 불순물을 제거하거나 원하지 않는 부산물을 유용한 물질로 전환하는 데 촉매가 활용된다. 석유 정제 산업에서 분해는 중질 유분을 가솔린 등 가벼운 유분으로 전환하는 핵심 공정이며, 제올라이트나 산 촉매가 이 과정을 촉진한다. 또한 수소화 분해는 유분 내의 황이나 질소 화합물 같은 불순물을 제거하여 연료의 품질을 높이고 환경 오염을 줄인다. 촉매를 이용한 정제는 일반적으로 열적·물리적 정제 방법보다 에너지 효율이 높고 부산물 발생이 적다는 장점이 있다.

산업적 관점에서 촉매 공정의 설계는 활성, 선택성, 안정성의 균형을 맞추는 것이 중요하다. 공정 조건(온도, 압력, 공간 속도)은 촉매의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미치며, 촉매의 재생 가능성과 비용도 경제성을 평가하는 주요 기준이 된다.

자동차 배기 가스 정화는 불균일 촉매의 대표적인 산업적 응용 분야이다. 내연기관에서 발생하는 유해 물질인 일산화탄소, 질소 산화물, 탄화수소 등을 무해한 물질로 전환하기 위해 촉매 변환기가 사용된다. 이 장치 내부의 세라믹 또는 금속 기질 위에 백금, 팔라듐, 로듐 등의 귀금속 촉매가 코팅되어 있다.

촉매 변환기는 주로 산화 촉매와 환원 촉매로 구성된다. 첫 단계에서는 로듐 촉매가 질소 산화물(NOx)을 질소(N2)와 산소(O2)로 환원시킨다. 다음 단계에서는 백금과 팔라듐 촉매가 미연소 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 남은 산소와 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 산화시킨다. 이 과정은 배기가스의 조성을 실시간으로 감지하는 산소 센서의 신호에 의해 제어되는 전자 제어 유닛과 연동되어 최적의 효율을 유지한다.

촉매 변환기의 성능은 연료의 황 함량, 엔진 오일의 연소 부산물, 과열 등에 의해 저하될 수 있다. 특히 납은 촉매 표면에 강하게 흡착되어 촉매를 영구적으로 비활성화시키는 촉매 중독 현상을 일으킨다[6]. 현대의 촉매는 내구성과 저온에서의 활성을 높이기 위해 지지체 구조와 촉매 나노 입자의 분산도를 최적화하는 방향으로 발전하고 있다.

신재생 에너지 분야에서 촉매는 에너지 변환 및 저장 과정의 핵심 구성 요소로 작동하여, 태양광, 풍력, 수소 등 지속 가능한 에너지원의 실용화를 가능하게 합니다. 특히 수전해를 통한 수소 생산, 연료전지에서의 수소 이용, 그리고 이산화탄소 포집 및 활용 기술에서 촉매의 역할이 결정적입니다. 예를 들어, 물을 수소와 산소로 분해하는 수전해 반응은 높은 활성화 에너지로 인해 매우 느리게 진행되는데, 백금이나 이리듐 산화물과 같은 효율적인 촉매를 사용하면 반응 속도를 크게 높여 경제적인 수소 생산을 도모할 수 있습니다.

반대로, 연료전지에서는 수소와 산소를 결합시켜 전기와 물을 생성하는 반응을 촉진합니다. 이 과정에서도 백금 기반 촉매가 널리 사용되지만, 높은 비용과 내구성 문제가 주요 과제입니다. 따라서 연구는 백금 사용량을 줄이거나 철, 코발트, 망간 등으로 구성된 비귀금속 촉매를 개발하는 방향으로 진행되고 있습니다. 또한, 태양광 에너지를 화학 에너지로 직접 전환하는 인공 광합성 시스템에서는 빛을 받아 물을 분해하거나 이산화탄소를 유용한 화합물(예: 메탄올, 포름산)로 환원시키는 광촉매의 개발이 활발합니다.

이산화탄소를 자원으로 전환하는 기술에서도 촉매가 필수적입니다. 대기 중 또는 배출원에서 포집된 이산화탄소를 메탄, 에탄올, 에틸렌 같은 고부가가치 화학물질로 전환하는 반응은 일반적으로 높은 에너지 장벽을 가지고 있습니다. 구리, 아연, 철 등의 금속을 기반으로 한 촉매는 이러한 반응의 선택성과 효율을 높여, 탄소 순환 경제를 실현하는 데 기여합니다. 이처럼 촉매 기술은 신재생 에너지 시스템의 효율성, 경제성, 확장성을 결정하는 기반 기술로 자리 잡고 있습니다.

나노 촉매는 나노미터 크기의 입자로 구성된 촉매를 의미한다. 나노 크기의 물질은 표면적이 매우 크고, 표면 원자의 비율이 높아져 특별한 화학적 활성을 나타낸다. 이러한 특성은 기존의 벌크(bulk) 촉매보다 우수한 촉매 활성과 선택성을 제공한다. 나노 촉매 연구는 촉매의 성능을 극대화하고, 귀금속 사용량을 줄이며, 새로운 반응 경로를 개척하는 것을 목표로 한다.

나노 촉매의 주요 설계 전략은 크기, 모양, 표면 구조 및 조성을 정밀하게 제어하는 것이다. 예를 들어, 금속 나노 입자의 크기를 조절하면 특정 반응에 최적화된 결정면이 노출될 수 있다. 또한, 지지체에 나노 입자를 고정시켜 응집을 방지하고 안정성을 높이는 것이 일반적이다. 다양한 합성 방법이 개발되어 있으며, 그 예는 다음과 같다.

나노 촉매는 수소화 반응, 산화 반응, 탄소-탄소 결합 형성 반응 등 다양한 분야에 적용된다. 특히 연료 전지의 전극 촉매나 광촉매 반응에서 높은 효율을 보인다. 최근에는 금속-유기 골격체(MOF)나 공유결합 유기 골격체(COF)와 같은 다공성 나노 구조체를 촉매 지지체나 촉매 자체로 활용하는 연구가 활발하다. 이러한 구조는 높은 비표면적과 조절 가능한 공극 구조를 제공하여 반응물의 선택적 흡착과 확산을 용이하게 한다[7].

단일 원자 촉매는 촉매 활성 중심이 원자 수준으로 분리되어 지지체 표면에 고정된 구조를 가진다. 기존의 나노 촉매가 나노 입자 형태로 수십 개에서 수백 개의 원자가 집합체를 이루는 것과 달리, 단일 원자 촉매는 각 금속 원자가 개별적으로 존재하며 지지체와 상호작용한다. 이로 인해 모든 금속 원자가 표면에 노출되어 촉매 활성을 발휘할 수 있어 원자 이용 효율이 극대화된다는 특징을 가진다.

단일 원자 촉매의 작동 원리는 고립된 금속 원자의 전자 구조와 주변 지지체 원자와의 배위 환경에 크게 의존한다. 지지체는 금속 산화물, 다공성 탄소, 분자체 등이 사용되며, 금속 원자는 지지체의 결함 부위나 특정 원자와 결합하여 안정화된다. 이러한 독특한 전자 상태는 반응물의 흡착 강도와 활성화 복합체 형성에 영향을 미쳐, 기존 촉매와는 다른 선택성과 활성을 보여준다.

주요 장점과 응용 분야는 다음과 같다.

이러한 특성으로 인해 단일 원자 촉매는 수소 생성 반응, 이산화탄소 환원, 암모니아 합성 등 에너지 및 환경 분야의 중요한 반응에 대한 고효율 촉매로 주목받고 있다. 그러나 단일 원자 상태를 반응 조건 하에서 장기간 유지하는 안정성 확보와 대량 합성 방법 개발이 현재의 주요 연구 과제로 남아 있다.