이산화탄소환원 나노 구조 촉매 개발
이산화탄소환원 나노 구조 촉매 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.23 23:55
  • 조회수 362
  • 댓글 0
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요약

 

이산화탄소 환원 나노구조 촉매가 개발됐습니다. 이산화탄소 환원 반응에 중요한 선택도와 전환율을 동시에 향상시킬 수 있도록 두 가지 크기의 기공 네트워크를 지닌 3차원 계층 다공성 금 나노구조를 제작했습니다. 물질이동의 효율성을 높여 값비싼 금 촉매의 사용량을 줄일 수 있을 것으로 기대됩니다.

KAIST 신소재공학과 전석우 교수와 오지훈 교수 연구팀이 이산화탄소의 전기화학 환원 반응 시 발생하는 물질 이동의 한계를 극복해 값 비싼 금 촉매의 사용을 효과적으로 줄일 수 있는 3차원 나노구조 촉매를 개발했습니다. 연구팀은 두 가지 크기의 기공 네트워크를 지닌 계층 다공성 나노 구조를 이용해 이산화탄소에서 일산화탄소로의 전환율을 기존 나노 구조 촉매 대비 최대 3.96배 높일 수 있는 촉매 디자인을 제시했습니다. 해당 연구는 <PNAS>에 게재됐습니다.

이산화탄소 환원 반응 도중, 계층 다공성 금 촉매와 나노기공 금 촉매 내부의 이산화탄소 및 전자 이동 경로 개략도. 출처: KAIST
이산화탄소 환원 반응 도중, 계층 다공성 금 촉매와 나노기공 금 촉매 내부의 이산화탄소 및 전자 이동 경로 개략도. 출처: KAIST

이산화탄소 재활용하는 연구 주목

 

최근 이산화탄소의 배출과 화석 연료 고갈이 심화됨에 따라 이산화탄소를 재활용해 유용한 화합물로 전기 화학적 전환하는 연구가 주목받고 있습니다. 이산화탄소 환원 반응은 유사한 산화환원 전위를 갖는 수소 생산 반응과 경쟁적으로 일어나는 문제점이 있어 원하는 화합물로 선택도를 높이고 활성 부위를 극대화해 높은 전환율을 얻기 위한 금속 나노 구조 촉매 개발이 활발히 진행 중입니다. 이산화탄소에서 일산화탄소로의 전환 반응 촉매 중 금은 가장 우수한 성능을 보이지만 값이 매우 비싸 실제 적용을 위해서는 나노 구조를 형성하는 등의 방법을 통해 적은 양의 금을 활용하는 것이 이상적입니다.

 

하지만 기존 연구에서 보고된 나노 구조는 복잡하게 엉킨 촉매 구조로 인해 수계 반응을 통해 생성되는 일산화탄소 기포가 반응 도중 쉽게 구조를 막아 활성 부위를 차단하고, 전해질을 통한 반응물의 이동도 어렵게 해 촉매의 생산성을 떨어뜨렸습니다. 

 

나노 기술 이용해 이산화탄소를 일산화탄소로?!

 

연구팀은 문제 해결을 위해 정렬된 3차원 나노 구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝(PnP, Proximity-field nanopatterning)과 전기 도금 기술을 이용해, 약 10나노미터 크기의 나노 기공과 200~300나노미터 크기의 매크로 기공이 주기적으로 연결된 채널을 포함하는 3차원 계층 다공성 금 나노 구조를 대면적으로 제작했습니다. 

(a) 근접장 나노패터닝과 전기 도금을 이용해 기공의 크기와 분포가 조절 된 서로 다른 3차원 금 나노구조의 제작 모식도. (b) 나노기공 금 촉매. (c) 매크로기공 금 촉매 (d) 계층 다공성 금 촉매의 전자주사 현미경 이미지. (스케일 바: 5 μm, 확대이미지 스케일 바: 500 nm). 출처: KAIST
(a) 근접장 나노패터닝과 전기 도금을 이용해 기공의 크기와 분포가 조절 된 서로 다른 3차원 금 나노구조의 제작 모식도. (b) 나노기공 금 촉매. (c) 매크로기공 금 촉매 (d) 계층 다공성 금 촉매의 전자주사 현미경 이미지. (스케일 바: 5 μm, 확대이미지 스케일 바: 500nm). 출처: KAIST

그 결과, 계층 나노 구조 촉매는 나노 기공을 통해 높은 일산화탄소 생산 선택도를 달성함과 동시에 주기적으로 배열된 매크로 기공 채널을 통해 효율적인 물질이동을 유도함으로써, 높은 질량당 전환율을 달성해 값 비싼 금의 사용을 효과적으로 줄일 수 있는 해결 방안을 제시했습니다. 

계층 다공성 금 촉매의 상단면 이미지. (스케일 바: 3 μm). 출처: KAIST
계층 다공성 금 촉매의 상단면 이미지. (스케일 바: 3μm). 출처: KAIST

또한, 3차원 나노 구조 금 촉매의 기공 크기와 분포가 조절 된 서로 다른 세 가지 나노 구조 촉매를 통해 기공 네트워크와 반응물, 생성물의 확산에 미치는 영향을 구조적 관점에서 조사했습니다. 이 기술은 이산화탄소 환원 촉매 연구 뿐 아니라 유사 전기화학 분야에서 발생하는 물질이동 문제를 해결하고 효율적인 촉매활용을 위한 폭넓은 응용이 가능할 것으로 기대됩니다. 

 


##참고자료##

 

Hyun, Gayea, et al. "Hierarchically porous Au nanostructures with interconnected channels for efficient mass transport in electrocatalytic CO2 reduction." Proceedings of the National Academy of Sciences (2020).

 

 
 

 


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