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성균관대, '고성능 이산화탄소 환원 전기 화학 촉매 소재' 개발

등록 2021.12.01 11:59:13

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기사내용 요약

'전기 화학적 이산화탄소 환원' 기술, '수소 발생 반응'을 억제해야 하는데
'원자 수준의 공간을 가지는 이산화탄소 환원 전기 화학 촉매 소재' 개발

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[서울=뉴시스] 성균관대 정형모 교수(사진=성균관대 제공) *재판매 및 DB 금지


[서울=뉴시스]김광주 인턴 기자 = 이산화탄소를 연료 내지 유용한 화합물로 바꾸는 '전기화학적 이산화탄소 환원 기술'은 환경 문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있어 학계에서 주목받고 있지만 실질적인 적용과 활용이 어려운 실정이다. 이산화탄소 환원 반응의 '경쟁 반응'인 수소 발생 반응에 의해 활성도와 선택도가 제한되기 때문이다.

따라서 '수소 발생 반응'을 억제하면 이러한 문제를 해결할 수 있다. 이에 최근 국내 연구진이 '원자 수준의 공간을 가지는 이산화탄소 환원 전기 화학 촉매 소재'를 개발해 '수소 발생 반응'을 효과적으로 억제했다고 밝혀 눈길을 끈다. 이산화탄소 환원 반응에서 활성도, 선택도, 안정성이 높은 전기 화학 촉매 소재를 개발한 것이다.

성균관대학교(총장 신동렬)는 기계공학부 정형모 교수 연구팀이 공동연구를 통해 "원자 수준의 공간을 가지는 고성능 이산화탄소 환원 전기 화학 촉매 소재"를 개발했다고 1일 밝혔다. 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 'Advanced Functional Materials'에 지난달 23일 표지 논문으로 게재됐다.

정형모 교수 연구팀은 '전기 화학적 양이온 주입 공정'을 개발했다. 주석 산화물 소재 내 원자 수준의 결함 및 공간을 단계적 공정 조건에 따라 연속해서 제어한 것이다. 주석 산화물 소재 내 원자 수준으로 계면을 제어할 수 있다는 것을 밝혀낸 것인데, 구체적으로 주사 투과 전자 현미경을 이용한 단층 촬영 및 3차원 구조화를 통해 '전기 화학적 양이온 주입 공정'을 활용했다.

이 '양이온 주입량'의 조건을 단계적으로 제어했고, 이 과정에서 입계와 같이 형성된 결함이 늘어나 주석 산화물 소재 내 원자 수준의 공간이 형성되는 것을 확인했다. 이를 통해 원자 수준(6Å)의 공간을 가지는 주석 산화물 소재를 합성하는 데 성공했다.
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[서울=뉴시스] 전기 화학적 양이온 주입 공정의 개략도

(a) 양이온 주입 단계에 따른 주석 산화물의 계면 제어 과정 개략도. 계면이 제어된 주석 산화물의 이산화탄소 환원 반응의 메커니즘 (b) 공정이 적용되지 않은 주석 산화물 (c) 결함이 형성된 주석 산화물 (d) 원자 수준의 공간을 가지는 주석 산화물. (e) PXRD 분석을 통한 단계적 전기화학적 양이온 주입 공정에 따른 주석 산화물의 상 변이 분석(자료=성균관대 제공) *재판매 및 DB 금지


6Å 크기의 공간을 가지는 주석 산화물 소재는 공정이 적용되지 않은 상용 주석 산화물 소재와 비교했을 때 낮은 과전압을 보였다. 또한 17.4배 및 1.2배 향상된 활성도 및 선택도를 보였으며 이는 50시간 동안 유지됐다.

또한 밀도범함수이론(Density Functional Theory) 계산을 통해 주석 산화물 소재가 6Å 크기의 원자 수준 공간을 가질 때, '수소 발생 반응을 효과적으로 억제'할 수 있어 율속 단계의 중간 화합물 형성 에너지가 안정화될 수 있음을 밝혀냈다.

정형모 교수는 "소재 내 빈 공간도 원자 수준 크기로 존재하면 활성 기능을 가지는 신개념의 소재 설계 요소로 볼 수 있으며, 공간 특이성을 가지는 소재 설계 개념이 실제적인 에너지 변환 기술을 위한 고활성 및 고선택도의 소재 설계를 위한 새로운 요소가 될 것"이라고 말했다.

이어 "본 연구에서 개발한 공정을 활용하여 원하고자 하는 소재의 미세 구조를 원자 수준으로 제어할 수 있으므로 에너지 변환 및 저장 소재뿐만 아니라 다양한 분야에서 활용될 수 있다"며 "탄소 자원화 및 에너지 소재 개발을 위한 핵심 원천 기술이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 울산과학기술원 권영국 교수, 대구과학기술원 Stefan Ringe 교수와 공동으로 진행됐으며 한국연구재단 중견 연계 신진 후속 연구 지원 과제, carbon to X 기술 개발 사업과 한국과학기술연구원의 지원을 받았다.


◎공감언론 뉴시스 kj961009@newsis.com

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