새로운 기술로 이산화탄소를 액체 연료로 전환하는 능력 향상

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이산화탄소(CO2)는 화석 연료 연소의 산물이자 가장 일반적인 온실가스이며, 지속 가능한 방식으로 다시 유용한 연료로 전환될 수 있습니다. CO2 배출을 연료 공급원료로 변환하는 유망한 방법 중 하나는 전기화학적 환원이라는 프로세스입니다. 그러나 상업적으로 실행 가능하려면 더 원하는 탄소가 풍부한 제품을 선택하거나 생산할 수 있도록 공정을 개선해야 합니다. 이제 네이처 에너지(Nature Energy) 저널에 보고된 바와 같이 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)는 보조 반응에 사용되는 구리 촉매의 표면을 개선하여 공정의 선택성을 높이는 새로운 방법을 개발했습니다.
버클리 연구소 화학과 선임 과학자이자 버클리 대학 화학공학과 교수인 알렉시스(Alexis)는 “우리는 구리가 이 반응에 가장 좋은 촉매제라는 것을 알고 있지만 원하는 생성물에 대해 높은 선택성을 제공하지는 않는다”고 말했습니다. 캘리포니아, 버클리. 스펠이 말했다. "우리 팀은 이러한 종류의 선택성을 제공하기 위해 촉매의 로컬 환경을 사용하여 다양한 트릭을 수행할 수 있다는 것을 발견했습니다."
이전 연구에서 연구자들은 상업적 가치가 있는 탄소가 풍부한 제품을 만들기 위한 최고의 전기적, 화학적 환경을 제공하기 위한 정확한 조건을 확립했습니다. 그러나 이러한 조건은 수성 전도성 물질을 사용하는 일반적인 연료전지에서 자연적으로 발생하는 조건과 반대이다.
연료전지 물 환경에서 사용할 수 있는 설계를 결정하기 위해 에너지부 액체 햇빛 연합의 에너지 혁신 센터 프로젝트의 일환으로 Bell과 그의 팀은 특정 전하를 허용하는 얇은 층의 이오노머로 전환했습니다. 분자(이온)가 통과합니다. 다른 이온을 제외합니다. 선택성이 높은 화학적 특성으로 인해 미세 환경에 강력한 영향을 미치는 데 특히 적합합니다.
벨 그룹의 박사후 연구원이자 논문의 제1저자인 김찬연 씨는 두 가지 일반적인 이오노머인 나피온(Nafion)과 서스테이니언(Sustainion)을 사용하여 구리 촉매 표면을 코팅할 것을 제안했습니다. 연구팀은 그렇게 하면 유용한 화학 물질로 쉽게 전환될 수 있는 탄소가 풍부한 생성물을 생성하도록 반응을 유도하기 위해 어떤 방식으로든 pH, 물과 이산화탄소의 양을 포함하여 촉매 근처의 환경을 변화시켜야 한다고 가정했습니다. 제품 및 액체 연료.
연구진은 고분자 재료로 지지되는 구리 필름에 각 이오노머의 얇은 층과 두 개의 이오노머의 이중층을 적용하여 필름을 형성했으며, 이 필름을 손 모양의 전기화학 전지의 한쪽 끝 근처에 삽입할 수 있었습니다. 배터리에 이산화탄소를 주입하고 전압을 인가할 때 배터리에 흐르는 전체 전류를 측정했다. 그런 다음 그들은 반응 중에 인접한 저장소에 수집된 가스와 액체를 측정했습니다. 2층 사례의 경우 탄소가 풍부한 생성물이 반응에 의해 소비되는 에너지의 80%를 차지한다는 사실을 발견했습니다. 이는 코팅되지 않은 경우의 경우 60%보다 높습니다.
“이 샌드위치 코팅은 높은 제품 선택성과 높은 활성이라는 두 가지 장점을 모두 제공합니다.”라고 Bell은 말했습니다. 이중층 표면은 탄소가 풍부한 제품에 좋을 뿐만 아니라 동시에 강한 전류를 생성하여 활성이 증가함을 나타냅니다.
연구원들은 개선된 반응이 구리 바로 위에 있는 코팅에 축적된 높은 CO2 농도의 결과라고 결론지었습니다. 또한, 두 이오노머 사이의 영역에 축적된 음전하 분자는 더 낮은 국지적 산도를 생성합니다. 이 조합은 이오노머 필름이 없을 때 발생하는 경향이 있는 농도 균형을 상쇄합니다.
반응 효율을 더욱 향상시키기 위해 연구진은 CO2 및 pH를 증가시키는 또 다른 방법으로 이오노머 필름이 필요하지 않은 이전에 입증된 기술인 펄스 전압으로 전환했습니다. 연구진은 이중층 이오노머 코팅에 펄스 전압을 적용함으로써 코팅되지 않은 구리 및 정전압에 비해 탄소가 풍부한 제품이 250% 증가하는 것을 달성했습니다.
일부 연구자들은 새로운 촉매 개발에 집중하고 있지만 촉매 발견에는 작동 조건이 고려되지 않습니다. 촉매 표면의 환경을 제어하는 ​​것은 새롭고 다른 방법입니다.
수석 엔지니어인 아담 웨버(Adam Weber)는 “우리는 완전히 새로운 촉매를 고안하지는 않았지만 반응 동역학에 대한 이해를 활용하고 이 지식을 활용하여 촉매 현장의 환경을 어떻게 바꿀 수 있는지 생각하는 데 도움을 주었습니다.”라고 말했습니다. 버클리 연구소의 에너지 기술 분야 과학자이자 논문의 공동 저자입니다.
다음 단계는 코팅촉매 생산 확대다. Berkeley Lab 팀의 예비 실험에는 상업용 응용에 필요한 대면적 다공성 구조보다 훨씬 단순한 소형 평면 모델 시스템이 포함되었습니다. “평평한 표면에 코팅을 적용하는 것은 어렵지 않습니다. 그러나 상업적인 방법에는 작은 구리 볼을 코팅하는 것이 포함될 수 있습니다.”라고 Bell은 말했습니다. 두 번째 코팅층을 추가하는 것은 어려워집니다. 한 가지 가능성은 두 코팅을 용매에 함께 혼합하고 증착한 다음 용매가 증발할 때 분리되기를 바라는 것입니다. 그렇지 않으면 어떻게 되나요? 벨은 이렇게 결론지었습니다. “우리는 좀 더 똑똑해져야 합니다.” Kim C, Bui JC, Luo X 등을 참조하세요. 구리에 이중층 이오노머 코팅을 사용하여 CO2를 다중 탄소 제품으로 전기 환원하기 위한 맞춤형 촉매 미세 환경. 냇 에너지. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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