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연세소식

[연구 프론티어] 이동일 교수팀, 고효율 이산화탄소 전환 촉매 개발 Vol. 612

이동일 교수팀, 고효율 이산화탄소 전환 촉매 개발

 

구리 나노입자 촉매를 이용한 선택적 포름산 제조 기술 제시

 

 

이동일 교수(화학과) 연구팀이 원자 단위로 제어된 구리 기반의 거대원자입자 제조 기술을 이용해 이산화탄소를 포름산으로 전환할 수 있는 촉매 기술을 개발했다. 여기서 거대원자입자란 수 개에서 수백 개의 금속 원자로 이루어진 매우 작은 크기의 나노입자로 입자의 전·자기적, 광학적, 전기화학적 특성이 구성 원소의 종류, 개수, 조성, 구조 등에 따라 매우 민감하게 변화하는 원자 수준에서 특성 제어가 가능한 새로운 기능 소재다.

 

지구온난화에 대한 과학적 증거가 제시되기 시작하면서 온실가스로 잘 알려진 이산화탄소를 저감하기 위해 세계 각국에서 다양한 기술들이 개발되고 있다. 대표적으로 이산화탄소의 포집 및 저장 기술과 유용한 자원으로 전환시키는 기술 등이 있다. 이산화탄소를 다른 화학물질이나 연료로 전환시키는 연구는 최근 기술의 유용성으로 많은 연구가 진행되고 있지만, 이산화탄소의 화학적인 안정성으로 인해 전환에 높은 에너지가 요구되고 값비싼 귀금속 기반의 촉매시스템이 필요하게 된다. 이동일 교수 연구팀은 본 연구에서 경제적인 구리 기반의 거대원자입자를 활용해 전기화학적인 방법을 통해 이산화탄소를 포름산으로 선택적 전환을 할 수 있는 방법을 제시했다.

 

 

포름산은 이산화탄소가 전자 2개와 수소 이온 2개를 받아 환원된 형태의 물질로 유기화합물의 환원제로 사용되거나 연료전지용 연료로 활용되고 있다. 하지만 수용액 상태에서 이산화탄소를 환원시켜 선택적으로 포름산을 제조하는 것은 매우 어려운 일이다. 부반응물인 수소와 일산화탄소의 생성 반응이 경쟁적으로 일어나기 때문이다. 연구진은 높은 선택성을 갖는 촉매 제조를 위해 구리로 구성된 거대원자입자의 격자 내에 수소 음이온을 도핑한 촉매를 설계·제조했다. 수용액 상에서 이산화탄소를 전기화학적으로 전환한 결과, 0.4V 이하의 낮은 과전압에서 포름산이 90 % 이상의 선택성으로 제조될 수 있음을 확인했다.

 

연구진은 구리 거대원자입자가 수소 이온을 수용액 상에서 공급 받기보다는 자체 내의 수소 음이온을 활용하는 독특한 매커니즘을 따르며, 그 결과 높은 촉매 선택성이 나타남을 실험적으로 입증했다. 기존의 촉매와는 다르게 내재된 수소 음이온을 촉매 반응에 사용할 수 있으며, 소모된 수소 음이온은 수용액 상에서 물과의 반응을 통해 촉매 내에서 재생성되어 장시간 촉매의 활성이 유지될 수 있음을 밝혀내었다. 이동일 교수는 “금속 나노입자 격자 내에 수소음이온이 도핑된 촉매는 반응 선택성을 크게 향상시킬 수 있어 이산화탄소 전환 촉매의 새로운 개발 방향을 제시하는 연구결과”라고 연구의 의의를 설명했다.

 


본 연구는 미래창조과학부의 Korea CCS 2020 사업과 중견연구자 도약사업 지원으로 수행되었으며, 국제 저명 학술지 ‘JACS(Journal of the American Chemical Society)’에 최근 게재됐다.

 

한편, 이동일 교수 연구팀의 이용진 연구원과 최우준 연구원이 이산화탄소 전환 연구와 촉매특성 평가 연구를 각각 수행했다. 또한, 대만 동화국립대학교 화학과 첸웨이 류 교수 연구팀이 촉매합성을 그리고 미국 캘리포니아 주립대 화학과 데엔 지앙 교수 연구팀이 촉매반응에 대한 전산모사 연구를 수행했다.   

 

 

 

구리 기반 거대원자입자의 구조

 

이산화탄소 전환 반응에 따른 생성물 비교

 

구리 거대원자입자에서의 포름산 생성 메커니즘

2017.11.06

vol. 612
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