고성능 이산화탄소 전환용 촉매 소재
고성능 이산화탄소 전환용 촉매 소재
  • 함예솔
  • 승인 2021.02.08 18:35
  • 조회수 337
  • 댓글 0
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효과적인 이산화탄소 전환을 위한 촉매 소재 실마리가 나왔습니다. 한국연구재단은 최창혁 교수(광주과학기술원), 김형준 교수(한국과학기술원), 서지원 교수(광주과학기술원) 공동 연구팀이 고성능 이산화탄소 촉매 소재 설계기술을 개발했다고 밝혔습니다. 해당 연구는 'Journal of the American Chemical Society'에 게재됐습니다.

이산화탄소를 분해? 출처: fotlolia<br>
고성능 이산화탄소 전환용 촉매 소재 개발. 출처: fotlolia

고성능 촉매 소재 개발하기 위해서는?!

 

이산화탄소 전환은 이산화탄소와 물의 반응으로 고부가가치 화합물을 생산하는 기술로 실용화를 위한 연구가 활발합니다. 이 중 효율적인 촉매의 개발은 탄소중립정책의 성공을 좌우할 중요한 요소로 꼽힙니다. 원자수준에서 배열된 전이금속 촉매는 효율적으로 이산화탄소 전환을 할 수 있다는 점에서 주목받고 있습니다.

 

하지만 다양한 구조가 섞여 있는 탓에 활성점 파악과 같은 촉매에 대한 이해가 부족합니다. 실용화가 가능한 고성능 촉매 개발을 위해 촉매의 활성점 규명과 합리적인 활성점의 설계가 관건입니다.

  • 전이금속

주기율표상에 위치하는 4~7주기, 3~11족의 금속원소입니다.

  • 활성점

촉매 표면에서 반응물질이 촉매 작용을 받는 부위입니다. 

연구팀은 전기화학적 방식의 이산화탄소 전환에 뛰어난 단원자 전이금속 촉매의 활성점을 도출하고자 원자수준에서 정확하게 제어된 구조체를 도입했습니다. 첫번째 분자로 네 개의 질소원자로 둘러싸인 단원자 니켈을 포함한 구조(Ni-N4-TPP)와 두 번째 분자로 하나의 질소가 산소로 치환되어 대칭성이 뒤틀린 구조(Ni-N3O-TPP)를 합성했습니다.

각기 다른 대칭성을 가진 단원자 촉매의 전기화학적 이산화탄소 전환. 출처: 한국연구재단
각기 다른 대칭성을 가진 단원자 촉매의 전기화학적 이산화탄소 전환. 출처: 한국연구재단


대칭적인 구조와 대칭이 깨어진 구조 두 가지를 합성하고, 다양한 전기화학 및 분광학적 접근과 계산화학을 통해 대칭이 깨어진 구조에서 이산화탄소 전환이 효율적으로 이뤄지는 것을 확인했습니다. 대칭이 깨어진 구조가 반응중간체 생성을 유리하게해 촉매의 성능을 높인 겁니다.

 

활성점 주변의 원자 수준에서 뒤틀린 대칭성이 고성능 이산화탄소 전환에 핵심 요소임을 밝힌 이번 연구결과가 고성능 이산화탄소 전환 촉매 개발에 도움이 될 것으로 기대됩니다. 

  • 단원자 전이금속 촉매 

촉매의 활성점이 금속원자 한 개로 구성된 촉매를 지칭합니다. 단원자 촉매는 금속 촉매에 필적하는 성능을 보이며, 상대적으로 저렴한 전이금속을 소량 사용함으로써 촉매생산에 필요한 비용을 절감할 수 있습니다.

  • 반응 중간체

화학반응에서 반응물이 생성물로 전환되는 과정에서 생성되는 물질입니다. 

연구진(윗줄 왼쪽부터 최창혁 교수, 서지원 교수, 김형준 교수 아랫줄 왼쪽부터 김해솔 박사과정생, 신동엽 박사과정생). 출처: 한국연구재단
연구진(윗줄 왼쪽부터 최창혁 교수, 서지원 교수, 김형준 교수 아랫줄 왼쪽부터 김해솔 박사과정생, 신동엽 박사과정생). 출처: 한국연구재단

 


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