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이동일 교수팀
이동일 교수팀, 상업적 적용이 가능한 고선택성 이산화탄소 전환 촉매 개발 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 상용화 및 탄소중립 실현 기대, 저명한 국제 학술지 'Advanced Science' 게재
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[사진. (왼쪽부터) 이동일 교수, 성호은 박사, 장기영 연구원]
화학과 이동일 교수 연구팀(공동 제1저자: 성호은 박사, 장기영 박사과정생)은 정교한 원자구조 제어를 통해 선택성이 획기적으로 향상된 이산화탄소 전환 촉매 개발에 성공했다.
전기화학적 방법을 통해 이산화탄소(CO2)를 유용한 화합물 또는 연료로 전환하는 연구는 탄소저감과 출력변동성이 큰 재생 에너지의 저장 수단으로 주목받고 있다. 일반적으로 전기화학적 이산화탄소 전환 반응을 통해 일산화탄소, 개미산, 메탄, 메탄올 및 에틸렌 등의 다양한 화합물이 생산될 수 있다. 하지만 기존에는 이와 같은 화합물이 고순도로 생산되지 않고 혼합물 형태로 생성되기에 생성물에서 각각의 화합물을 추가로 분리해야 하는 문제가 있었다.
이동일 교수 연구팀은 다양한 이산화탄소 전환 생성물이 다양한 촉매 활성점의 혼재에 기인한다는 가설을 세우고 균일한 활성점을 갖는 촉매를 설계×합성하였다. 합성된 촉매는 중심의 염소(Cl) 원자를 은(Ag) 원자 14개가 둘러싼 구조를 가지며, 표면에 4개의 균일한 활성점을 가진 구조로 되어 있다. 또한, 합성된 촉매는 강한 수소 흡착 특성을 가져 이산화탄소 전환 반응의 경쟁반응인 수소 생성 반응을 크게 억제하는 특성도 가지고 있다.
이산화탄소 전환 실험 결과, 합성된 촉매는 99% 이상의 선택성으로 일산화탄소(CO)를 생성하며, 400 mA/cm2의 전류밀도로 일산화탄소를 안정적으로 생산할 수 있어 상업적인 적용 가능성을 보여 주었다. 생성된 일산화탄소는 합성 가스 및 고분자 중합 반응 등 다양한 반응의 전구체로 사용되기 때문에 산업적으로 유용한 화합물이다. 또한, 합성된 촉매는 매우 높은 질량 활성(mass activity)를 나타내었는데, 합성된 촉매 100그램은 하루 2.8톤의 이산화탄소를 전환할 수 있는 양에 해당한다.
[그림. 합성된 촉매 ClAg14의 원자구조(왼쪽)와 이산화탄소 전환반응기 모식도(오른쪽)]
이동일 교수는 “원자수준의 활성점 제어 전략을 통해 촉매의 반응 선택성을 획기적으로 향상시킨 연구 결과로, 향후 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 상용화 및 탄소중립을 앞당기는 데 이바지할 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.
본 연구는 한국연구재단의 Carbon-to-X 기술 개발 사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 국제 저명 학술지인 ‘어드밴스트 사이언스(Advanced Science, IF 14.3)’에 최근 게재되었다.
논문정보
*논문제목: ClAg14(C≡CtBu)12 Nanoclusters as Efficient and Selective Electrocatalysts Toward Industrially Relevant CO2 Conversion
*논문주소: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202306089
Researcher
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Professor LEE, DONGIL
연세대학교 이과대학 화학
DONGIL@YONSEI.AC.KR
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