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이동일 교수팀
이동일 교수 연구팀, 리간드 기능화를 통한 고성능 촉매 개발 다양한 기능성 이산화탄소 전환 촉매의 개발 및 상용화 기대, 화학 분야 세계적 학술지 ‘Angewandte Chemie’ 게재
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[사진 1. (왼쪽부터) 이동일 교수, 한상명 박사]
화학과 이동일 교수 연구팀(제1저자 한상명 박사)은 나노입자 촉매의 리간드 기능화를 통해 이산화탄소 전환 촉매의 활성을 획기적으로 향상시키는 데 성공했다. 리간드는 나노입자의 표면에 결합해 나노입자를 안정화시키는 분자나 이온을 의미한다.
전기화학적 방법으로 이산화탄소(CO2)를 유용한 화합물 또는 연료로 전환하는 연구는 탄소 저감과 출력 변동성이 큰 재생 에너지 저장 수단으로 주목받고 있다. 특히, 전환 생성물 중 일산화탄소(CO)는 초산, 플라스틱 등 다양한 화학제품의 생산에 사용되며, 메탄올과 합성원유 등 대체 연료의 생산 원료로 주목받아 산업적으로 매우 유용한 화합물로 인식되고 있다. 최근 전기화학적 이산화탄소 전환 연구에서 제시된 중요한 이론은 '양이온 효과'로, 이는 칼륨과 같은 알칼리 금속 양이온이 이산화탄소 전환 과정에서 반응 중간체를 안정화시켜 전환 반응성을 크게 향상할 수 있다는 것이다.
연구팀은 음이온으로 기능화된 리간드가 주변의 알칼리 양이온을 끌어당겨 촉매 반응이 일어나는 활성점으로 양이온을 전달할 수 있다는 가설을 세우고, 음이온 리간드로 안정화된 나노입자를 설계 및 합성했다. 그러나 연구 결과 리간드의 존재가 이산화탄소와 물과 같은 반응물이 활성점에 접근하는 것을 방해해 촉매 활성을 저해하는 것으로 밝혀졌다.
[그림 1. (왼쪽) 음이온으로 기능화된 촉매의 양이온 전달 효과, (오른쪽) 양이온에 의한 반응 중간체의 안정화 모식도]
이에 연구팀은 전기화학적 방법을 통해 30% 이상의 리간드를 제거해 문제를 해결했다. 또한, 알칼리 금속 농도 분석 결과 음이온으로 기능화된 촉매 주위의 칼륨 농도가 기능화 이전보다 4배 이상 증가해, 알칼리 금속의 크기가 커질수록 양이온 효과가 증가한다는 것을 밝혀냈다. 이산화탄소 전환 실험 결과 음이온으로 기능화된 촉매는 97% 이상의 선택성으로 일산화탄소(CO)를 생성했으며, 기능화 이전의 촉매보다 2배 이상의 촉매 활성 증가를 보였다.
이동일 교수는 “리간드 제어 전략을 통해 이산화탄소 전환 촉매의 반응 활성을 획기적으로 향상시켰다.”며, “이번 연구는 향후 다양한 기능성 리간드를 갖는 촉매의 개발 및 상용화를 앞당기는 데 기여할 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.
한편 본 연구는 한국연구재단의 Carbon-to-X 기술 개발 사업과 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐으며, 화학 분야 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie, IF 16.1)’에 최근 게재됐다.
논문정보
* 논문 제목: Boosting the Electroreduction of CO2 to CO by Ligand Engineering of Gold Nanoclusters
* 논문 주소: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202404387
연구진
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이동일 교수
연세대학교 이과대학 화학
DONGIL@YONSEI.AC.KR
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