인공광합성 기술은 식물이나 조류의 광합성처럼, 태양 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 탄화수소 화합물로 전환하는 기술입니다. 이 기술은 자연 친화적이고 이산화탄소 저감 효과가 있어 미래 에너지 기술로 주목받고 있는데요. 한국과학기술연구원(KIST) 국가기반기술연구본부 민병권 본부장과 황윤정 박사 연구팀은 서울대학교 재료공학부 남기태 교수연구팀과 공동 연구를 통해 이산화탄소로부터 포름산을 안정적으로 만들어내는 전기분해 기술을 개발했습니다. 이에 이산화탄소 전환 효율 98%, 안정성 100%인 '전기화학적 포름산 생성 촉매기술'를 확보하게 됐습니다. 이 연구는 <Nature Communications>에 게재됐습니다.
촉매로 '팔라듐'금속 사용하면..
팔라듐 금속은 이산화탄소로부터 포름산을 전기화학적 방법으로 전환할 때 가장 효과적인 촉매로 알려져 있습니다. 매우 높은 선택도로 포름산을 만들어내는 획기적인 소재입니다. 하지만 반응 도중에 생성되는 일산화탄소가 촉매 표면에 흡착돼 촉매 성능이 빠르게 저하되는 고질적인 문제가 있었습니다. 이에 산업적으로 활용되지 못했습니다. 참고로 포름산은 상온에서 자발적으로 수소로 전환되며 안정적인 액체 상태이기 때문에 운반에 용이합니다. 이에 향후 차세대 자동차 연료로 사용될 가능성이 크며 수소 에너지 산업과도 연관있는 중요한 화학물질입니다.
연구진은 전압을 가해 산화 반응을 유도하면 촉매 표면에 흡착된 일산화탄소가 포름산보다 먼저 산화된다는 사실에 주목했습니다. 특정한 전압범위에서는 포름산에는 영향을 주지 않고, 문제가 되는 일산화탄소만을 산화시켜 제거할 수 있다는 사실을 새롭게 발견한 건데요. 이를 이용해 환원ㆍ산화 반응을 주기적으로 교차하는 방법으로 새로운 '2단계 전기 분해법'을 고안했습니다. 10분 동안 환원 전위를 걸어준 뒤 10초 동안 산화 전위를 걸어주는 단계를 반복했습니다. 그 결과 약 130mV의 낮은 과전압에서 45시간 동안 전류밀도가 그대로 유지됐으며 포름산 전환 선택도도 98%로 우수한 성능을 얻을 수 있었습니다.
"본 연구는 국내 최고의 대학과 연구소의 연구자들이 힘을 합쳐 인공광합성 기술의 가장 어려운 숙제인 촉매 안정성 문제를 해결하기 위한 돌파구를 마련했다는 점에서 큰 파급력이 있습니다"
-KIST 민병권 박사
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