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이산화탄소(CO2)는 화석 연료 연소의 생성물이자 가장 흔한 온실가스인데, 지속 가능한 방식으로 유용한 연료로 다시 전환될 수 있습니다. CO2 배출물을 연료 원료로 전환하는 유망한 방법 중 하나는 전기화학적 환원이라는 공정입니다. 하지만 상업적으로 실현 가능하려면 원하는 탄소 함량이 높은 생성물을 선택적으로 또는 더 많이 생산할 수 있도록 공정을 개선해야 합니다. 최근 학술지 네이처 에너지(Nature Energy)에 발표된 연구에 따르면, 로렌스 버클리 국립 연구소(버클리 연구소)는 보조 반응에 사용되는 구리 촉매의 표면을 개선하는 새로운 방법을 개발하여 공정의 선택성을 향상시켰습니다.
"구리가 이 반응에 가장 적합한 촉매라는 것은 알고 있지만, 원하는 생성물에 대한 선택성이 높지는 않습니다."라고 버클리 연구소 화학과학부 선임 과학자이자 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스 화학공학과 교수인 알렉시스 스펠은 말했습니다. "우리 연구팀은 촉매의 주변 환경을 활용하여 다양한 방식으로 이러한 선택성을 확보할 수 있다는 것을 발견했습니다."
이전 연구에서 연구자들은 상업적 가치가 있는 탄소 함유 제품을 생산하기 위한 최적의 전기적 및 화학적 환경을 제공하는 정확한 조건을 확립했습니다. 그러나 이러한 조건은 수성 전도성 물질을 사용하는 일반적인 연료 전지에서 자연적으로 발생하는 조건과는 상반됩니다.
에너지부 산하 '액체 태양 에너지 연합(Liquid Sunshine Alliance)'의 에너지 혁신 센터 프로젝트의 일환으로, 벨과 그의 연구팀은 연료 전지의 물 환경에 사용할 수 있는 설계를 결정하기 위해 특정 전하를 띤 분자(이온)만 통과시키고 다른 이온은 차단하는 얇은 이오노머 층에 주목했습니다. 이러한 이온들은 높은 선택성을 지닌 화학적 특성 덕분에 미세 환경에 강력한 영향을 미치는 데 특히 적합합니다.
벨 연구 그룹의 박사후 연구원이자 이번 논문의 제1저자인 김찬연 연구원은 구리 촉매 표면을 나피온(Nafion)과 서스테이니온(Sustainion)이라는 두 가지 일반적인 이오노머로 코팅하는 방안을 제안했습니다. 연구팀은 이러한 코팅이 촉매 주변 환경(pH, 수분 및 이산화탄소 함량 등)을 변화시켜 반응을 유도하고, 유용한 화학물질이나 액체 연료로 쉽게 전환될 수 있는 탄소 함량이 높은 생성물을 만들어낼 수 있을 것이라고 가설을 세웠습니다.
연구진은 고분자 소재로 지지된 구리 필름에 각 이오노머의 얇은 층과 두 이오노머의 이중 층을 도포하여 필름을 만들고, 이를 손 모양의 전기화학 전지 한쪽 끝에 삽입했습니다. 전지에 이산화탄소를 주입하고 전압을 가했을 때, 전지를 통해 흐르는 총 전류를 측정했습니다. 그런 다음 반응 중에 인접한 저장소에 모인 기체와 액체를 측정했습니다. 이중 층의 경우, 탄소가 풍부한 생성물이 반응에 소모된 에너지의 80%를 차지하는 것으로 나타났는데, 이는 코팅되지 않은 경우의 60%보다 높은 수치입니다.
벨은 “이 샌드위치 코팅은 높은 제품 선택성과 높은 활성이라는 두 가지 장점을 모두 제공합니다.”라고 말했습니다. 이중층 표면은 탄소가 풍부한 제품에 적합할 뿐만 아니라 동시에 강력한 전류를 생성하여 활성이 증가함을 나타냅니다.
연구진은 향상된 반응이 구리 표면 바로 위에 코팅된 고농도의 CO2에 의해 축적된 결과라고 결론지었습니다. 또한, 두 이오노머 사이 영역에 축적되는 음전하 분자는 국소 산성도를 낮추는 역할을 합니다. 이러한 조합은 이오노머 필름이 없을 때 발생하는 농도 불균형을 상쇄합니다.
반응 효율을 더욱 향상시키기 위해 연구진은 이오노머 필름 없이도 CO2와 pH를 증가시키는 또 다른 방법으로 이미 검증된 기술인 펄스 전압을 활용했습니다. 이중 이오노머 코팅에 펄스 전압을 가함으로써, 코팅되지 않은 구리와 정전압을 사용했을 때보다 탄소가 풍부한 생성물이 250% 증가하는 결과를 얻었습니다.
일부 연구자들은 새로운 촉매 개발에 집중하고 있지만, 촉매 발견 과정에서는 작동 조건을 고려하지 않습니다. 촉매 표면 환경을 제어하는 것은 새롭고 차별화된 방법입니다.
"우리는 완전히 새로운 촉매를 개발한 것이 아니라, 반응 속도론에 대한 이해를 바탕으로 촉매 작용 부위의 환경을 어떻게 바꿀지 고민했습니다."라고 버클리 연구소의 에너지 기술 분야 수석 엔지니어이자 논문의 공동 저자인 아담 웨버는 말했습니다.
다음 단계는 코팅 촉매 생산을 확대하는 것입니다. 버클리 연구소 팀의 예비 실험은 상업적 응용 분야에 필요한 대면적 다공성 구조보다 훨씬 단순한 소형 평면 모델 시스템을 사용했습니다. 벨은 "평평한 표면에 코팅을 적용하는 것은 어렵지 않습니다. 하지만 상업적 방법은 미세한 구리 구슬에 코팅을 해야 할 수도 있습니다."라고 말했습니다. 두 번째 코팅층을 추가하는 것은 어려운 과제입니다. 한 가지 방법은 두 코팅을 용매에 혼합하여 함께 증착한 다음 용매가 증발할 때 분리되기를 바라는 것입니다. 만약 분리되지 않는다면 어떻게 해야 할까요? 벨은 "우리는 더 똑똑한 방법을 찾아야 합니다."라고 결론지었습니다. 참고 문헌: Kim C, Bui JC, Luo X 외. 구리에 이중층 이오노머 코팅을 이용한 CO2의 다중 탄소 생성물 전기 환원을 위한 맞춤형 촉매 미세환경. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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게시 시간: 2021년 11월 22일
