새로운 기술로 이산화탄소를 액체 연료로 전환하는 것이 향상되었습니다.

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이산화탄소(CO2)는 화석 연료를 연소할 때 생성되는 가장 흔한 온실가스로, 지속 가능한 방식으로 유용한 연료로 전환될 수 있습니다. CO2 배출물을 연료 공급 원료로 전환하는 한 가지 유망한 방법은 전기화학적 환원이라는 공정입니다. 하지만 상업적으로 성공하려면 이 공정을 개선하여 더 원하는 탄소 함량이 높은 제품을 선택하거나 생산해야 합니다. 네이처 에너지(Nature Energy) 저널에 발표된 바와 같이, 로렌스 버클리 국립 연구소(버클리 랩)는 보조 반응에 사용되는 구리 촉매의 표면을 개선하여 공정의 선택성을 높이는 새로운 방법을 개발했습니다.
"구리가 이 반응에 가장 적합한 촉매라는 것은 알고 있지만, 원하는 생성물에 대해 높은 선택성을 제공하지는 않습니다."라고 버클리 랩 화학과 선임 과학자이자 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스 화학공학과 교수인 알렉시스는 말했다. 스펠은 "저희 팀은 촉매의 국소 환경을 활용하여 이러한 선택성을 제공하는 다양한 방법을 개발할 수 있다는 것을 발견했습니다."라고 덧붙였다.
이전 연구에서 연구자들은 상업적 가치가 있는 탄소가 풍부한 제품을 만드는 데 최적의 전기적 및 화학적 환경을 조성하기 위한 정밀한 조건을 확립했습니다. 그러나 이러한 조건은 수계 전도성 물질을 사용하는 일반적인 연료 전지에서 자연적으로 발생하는 조건과는 상반됩니다.
연료 전지 수중 환경에서 사용 가능한 설계를 결정하기 위해, 에너지부 산하 Liquid Sunshine Alliance의 에너지 혁신 센터 프로젝트의 일환으로 벨과 그의 팀은 특정 하전 분자(이온)만 통과시키고 다른 이온은 차단하는 얇은 이오노머 층을 개발했습니다. 이오노머는 매우 선택적인 화학적 특성을 가지고 있어 미세 환경에 강한 영향을 미치는 데 특히 적합합니다.
벨 연구 그룹의 박사후연구원이자 본 논문의 제1저자인 김찬연은 구리 촉매 표면을 두 가지 일반적인 이오노머인 나피온(Nafion)과 서스테인온(Sustainion)으로 코팅하는 방안을 제안했습니다. 연구팀은 이를 통해 촉매 주변 환경(pH, 수분 및 이산화탄소의 양 포함)을 변화시켜 반응을 유도하고, 이를 통해 유용한 화학물질로 쉽게 전환될 수 있는 탄소 함량이 높은 생성물을 생성할 것이라는 가설을 세웠습니다. 이러한 생성물과 액체 연료는 모두 탄소-기반 촉매입니다.
연구진은 고분자 물질로 지지된 구리 필름에 각 이오노머의 얇은 층과 두 개의 이오노머로 이루어진 이중 층을 도포하여 필름을 형성했습니다. 이 필름은 손 모양 전기화학 셀의 한쪽 끝 근처에 삽입할 수 있었습니다. 배터리에 이산화탄소를 주입하고 전압을 인가했을 때, 배터리에 흐르는 총 전류를 측정했습니다. 그런 다음 반응 중 인접한 저장소에 모인 기체와 액체를 측정했습니다. 이중 층의 경우, 탄소가 풍부한 생성물이 반응에 소모된 에너지의 80%를 차지했으며, 코팅되지 않은 경우 60%보다 높은 것으로 나타났습니다.
"이 샌드위치 코팅은 높은 제품 선택성과 높은 활성이라는 두 가지 장점을 모두 제공합니다."라고 벨은 말했습니다. 이중층 표면은 탄소 함량이 높은 제품에 적합할 뿐만 아니라, 동시에 강한 전류를 생성하여 활성도 증가를 나타냅니다.
연구진은 향상된 반응이 구리 바로 위 코팅에 축적된 높은 CO2 농도 때문이라고 결론지었습니다. 또한, 두 이오노머 사이 영역에 축적된 음전하 분자는 국소적인 산성도를 낮춥니다. 이러한 조합은 이오노머 필름이 없을 때 발생하는 농도 상충 관계를 상쇄합니다.
반응 효율을 더욱 향상시키기 위해 연구진은 이오노머 필름을 필요로 하지 않는 기존에 검증된 기술인 펄스 전압을 CO₂와 pH를 증가시키는 또 다른 방법으로 활용했습니다. 이중층 이오노머 코팅에 펄스 전압을 인가함으로써, 연구진은 코팅되지 않은 구리와 정전압에 비해 탄소 함량이 높은 생성물의 생성량을 250% 증가시켰습니다.
일부 연구자들은 새로운 촉매 개발에 집중하고 있지만, 촉매의 발견은 작동 조건을 고려하지 않습니다. 촉매 표면의 환경을 제어하는 ​​것은 새롭고 차별화된 방법입니다.
"완전히 새로운 촉매를 개발하지는 않았지만, 반응 속도론에 대한 이해를 바탕으로 촉매 부위의 환경을 변화시키는 방법을 연구했습니다."라고 버클리 연구소 에너지 기술 분야 과학자이자 논문 공동 저자인 선임 엔지니어 아담 웨버는 말했습니다.
다음 단계는 코팅된 촉매 생산을 확대하는 것입니다. 버클리 랩 팀의 예비 실험에는 상업적 응용 분야에 필요한 대면적 다공성 구조보다 훨씬 간단한 소형 평면 모델 시스템이 사용되었습니다. 벨은 "평평한 표면에 코팅을 하는 것은 어렵지 않습니다. 하지만 상업적인 방법에는 작은 구리 볼을 코팅하는 것이 포함될 수 있습니다."라고 말했습니다. 두 번째 코팅 층을 추가하는 것은 까다로워집니다. 한 가지 방법은 두 코팅을 용매에 혼합하여 증착하고 용매가 증발할 때 분리되기를 바라는 것입니다. 만약 그렇지 않다면 어떻게 될까요? 벨은 "우리는 단지 더 똑똑해져야 합니다."라고 결론지었습니다. 김 C, 부이 JC, 루오 X 외 참고. 구리에 이중층 이오노머 코팅을 사용하여 CO2를 다중 탄소 생성물로 전기 환원하기 위한 맞춤형 촉매 미세 환경. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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