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KBSI, 이산화탄소서 획기적 효율로 일산화탄소 생성 촉매 개발

등록 2022.06.28 16:53:57

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기사내용 요약

UNIST-부산대 공동연구, 계면활성제로 개질한 금나노 성능 규명
저전압에서도 CO 생성효율 90% 이상 달성...세계 최고 수준 확보

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[대전=뉴시스] KBSI 공동연구팀이 개발한 금 나노촉매(polyDDA-Oh-Au)와 비교 촉매들에 대한 CO 페러데이 효율 그래프(그림 a). 그림 b는 금 나노입자 표면에서 CO₂ 분해 및 CO 생성 메카니즘 모식도. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 이산화탄소(CO₂)로부터 일산화탄소(CO)를 획기적인 효율로 생성할 수 있는 촉매기술이 개발됐다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 연구장비개발부 이계행 박사팀이 부산대학교 남기민 교수팀, 울산과학기술원(UNIST) 이호식 교수팀과 함께 금 나노입자 표면에 일어나는 CO₂의 분해 메카니즘을 원자수준에서 규명하고 촉매 표면을 개질해 낮은 전압에서도 CO 생성률을 세계 최고 수준으로 확보하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.
 
CO₂는 지구 온난화의 주범이지만 플라스틱, 연료 등 석유화학 원료 제조에 꼭 필요한 CO의 주요 성분이기도 하다.

CO₂를 안정적인 분자로 활용할 수 있는 CO로 분해키 위해선 촉매가 반드시 필요하며 일반적인 촉매들은 분해과정에서 H2(수소)와 CO가 동시에 생성되기 때문에 CO의 순도가 낮아 원료로 쓰기에는 부적합하다.
 
이에 따라 염화 이온(chloride), 시안화 이온(cyanide), 싸이올(thiol) 등 기능성 화학물질(작용기)로 촉매 표면을 개질해 생성된 가스에서 CO의 순도를 높여 왔으나 이런 전기화학 촉매들은 순도 높은 CO를 생성키 위해 지속 과전압을 줘야하고 촉매 사용시간이 늘수록 기능성 화학물질들이 점점 소멸, CO의 생성효율이 떨어지는 내구성 저하 문제가 있다.

이번에 공동연구팀은 계면활성제(polyDDA)의 화학적 특성을 활용해 낮은 전압에서도 CO의 선택적 생성률을 획기적으로 높인 금 나노 촉매를 개발했다.
 
CO₂ 분해용 금 나노입자 촉매는 –0.4~-1.0V(기준전극 RHE)의 전압 범위에서 CO 생성률에 대한 패러데이 효율이 90% 이상을 달성했다.  –0.6V 에서는 최대 98%의 생성률에 도달했다.
 
패러데이 효율(Faradaic efficiency)은 전기분해 반응시 일정 전하량을 가해줬을 때 실제 생성물의 양에 대한 이론적 생성물 량의 비율로 생성효율을 말한다.
 
또 -0.7V에서 16시간 동안 연속적인 촉매반응을 진행해도 CO 생성 패러데이 효율이 90% 이상을 꾸준히 유지해 내구성도 크게 향상된 게 확인됐다.

계면활성제를 제거한 금 나노, 싸이올(thiol) 작용기로 개질한 금 나노 촉매와의 비교 실험 결과에서는 –0.4V에서 각 60%, 21%의 CO 생성 페러데이 효율을 보여 계면활성제로 개질한 금 나노 촉매의 성능이 훨씬 뛰어난 게 입증됐다.
 
연구팀은 이런 우수 성능은 표면 개질제로 활용한 계면활성제의 염화 이온이 촉매 표면에 결합돼 CO₂는 물론 분해과정서 생성되는 중간 생성물들과 촉매 표면과의 결합 에너지를 높여 CO의 선택적 생성이 증가된 데서 비롯됐다고 설명했다.

이어 연구팀은 계면활성제의 암모늄 양이온이 염화 이온의 탈리를 억제해 장시간 촉매를 사용해도 촉매 성능은 지속된다는 것을 규명했다.

이번 연구서 KBSI 이계행 박사팀과 부산대 남기민 교수팀은 촉매 합성, 재료 기초성질 분석, 촉매 성능평가를 담당했고 UNIST 이호식 교수팀은 전산모사를 통한 촉매 반응 메카니즘에 대해 밝혔다.
 
연구 결과는 다제학 과학분야 국제 학술지 'Advanced Science' 온라인판에 지난달 2일 게재됐다.(논문명:Unraveling the Simultaneous Enhancement of Selectivity and Durability on Single-Crystalline Gold Particles for Electrochemical CO₂ Reduction, IF=16.806)

이계행 박사는 "현재까지 개발된 CO₂ 분해용 및 CO 생성용 촉매들의 높은 과전압 사용과 낮은 내구성의 한계를 계면활성제 처리만으로 해결할 수 있는 기술을 제시했다"며 "후속 연구로 CO₂ 분해용 후보 촉매들에 대해 이 기술을 적용, 성능 향상 여부를 확인하고 이를 통해 사업화가 가능한 촉매 개발을 준비 중이다"고 말했다.


◎공감언론 뉴시스 kys0505@newsis.com

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