한국과학기술연구원(KIST) 국가기반기술연구본부 청정에너지연구센터의 오형석, 이웅희 박사 연구팀은 베를린공과대학과(TU-Berlin)의 공동 연구를 통해 인공광합성의 주요 연구분야인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에서 높은 효율로 일산화탄소를 얻을 수 있는 나노 크기의 산호 형태를 지닌 은 촉매 전극 및 대면적 시스템을 개발했다고 밝혔습니다. 해당 연구는 <Nano Energy>에 게재됐습니다.
인공광합성 시스템, 효율 높여줄 전극 개발
인공광합성 시스템은 지구온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 고부가가치를 갖고 있는 화학 물질로 전환하는 기술로 환경오염 없이 이산화탄소를 제거하고 유용한 화학물질을 얻을 수 있습니다. 특히, 최근에는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 분야가 높은 관심을 받고 있습니다.
기존 이산화탄소 전환 연구는 액체 상태(액상)에서 주로 진행되어 왔습니다. 하지만 액상에서는 전극을 물에 담근 형태로 성능을 측정하는데 이산화탄소가 물에 잘 녹지않아 투입 에너지 대비 충분한 효율을 얻지 못하고 있었습니다. 최근 액체가 아닌 기체 상태에서 이산화탄소를 전환하는 시스템이 개발되어 효율을 높일 수 있을 것이라는 기대가 있었지만 시스템에 적용할 수 있는 촉매, 전극에 개발에 대한 연구는 아직 미진한 편이었습니다.
KIST-TU Berlin 공동 연구진은 일산화탄소 생성 효율이 높은 기체상태(기상)에서의 이산화탄소 전환 시스템용으로 나노 크기의 산호형태 모양을 지닌 은 촉매 전극을 개발했습니다. 해당 촉매는 기존 은 촉매에 비해 반응에 필요한 에너지가 적으며 기존 액상 시스템에 비해 100배 이상의 일산화탄소를 생성할 수 있었습니다. 또한, 이산화탄소환원 시스템의 전극을 실험실 규모를 벗어나 실용화될 수 있도록 대면적화(50 cm)에 성공했습니다.
KIST 연구진은 다양한 실시간 분석(Operando analysis)을 통해 촉매를 개발할 수 있었습니다. 실시간 X-선 흡수 분석법으로 염소이온을 통해 제조된 산호 형태의 은 나노 전극 촉매가 높은 표면적 및 다공성 구조로 인해 높은 물질 전달 능력을 보이는 것을 확인했습니다. 이는 높은 이산화탄소 전환 효율을 보임을 뜻합니다. 이산화탄소 전환 반응 시 소수성(hydrophobicity)이 없을 경우 이산화탄소 전환 효율이 감소함을 확인해 향후 이산화탄소 전환전극 개발 시 소수성의 필요성을 밝혀냈습니다.
- 실시간 분석(Operando Analysis)
촉매 및 전극 구조가 반응 중 실제 어떠한 거동을 하는지 실시간 관찰하는 기술을 의미합니다. X-선, 전자현미경, 레이저 분석 기술 등이 operando analysis에 활용되고 있습니다.
- 소수성(hydrophobicity)
물 분자와 쉽게 결합하지 않는 성질을 의미합니다. 일반적으로 극성을 띠지 않는 물질이 소수성을 보입니다.
본 연구를 진행한 KIST 오형석 박사는 "나노미터 크기의 산호 형태 은 촉매 전극의 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 전류 밀도 및 성능을 크게 향상시키고 추후 연구 방향을 제시했다"며 "본 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 연구 개발에 크게 기여할 것으로 기대한다"라고 밝혔습니다.
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