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온실가스인 ‘이산화탄소’를 없애는 동시에 ‘전기’와 ‘수소’를 생산하는 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn-CO2 system)’ 의 성능을 높여 줄 촉매가 개발됐다. 연구진이 앞서 개발한 ‘수계 금속-이산화탄소’ 시스템의 상용화 가능성이 한 층 더 밝아질 전망이다. |
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*수계 금속-이산화탄소 시스템: 물에 이산화탄소가 용해되면 수소이온과 탄산수소이온이 생성되는 반응을 이용해 전기와 수소를 생산하는 시스템이다. 수소 이온이 생성되면서 물이 산성으로 변하면 아연금속에 있던 전자를 끌어당기는 힘이 생겨 전자가 도선을 통해 이동하는 전류(전기)가 만들어지고 수소이온은 전자를 만나 환원되면서 수소 기체가 된다. 수계는 물을 의미한다.
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UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 김건태·백종범 교수팀은 루테늄 금속과 탄소를 포함한 복합체 촉매를 개발했다. 이 촉매를 이산화탄소를 활용해 전기와 수소를 생산하는 ‘수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn-CO₂ system)’에 적용하면 수소를 쉽고 빠르게 얻을 수 있다. 개발된 촉매는 이산화탄소가 녹아 있는 ‘탄산 환경’에서도 잘 작동할 뿐만 아니라 저렴한 재료를 이용해 간단한 공정으로 합성 가능해 상용화 가능성도 높다 ‘수계 금속-이산화탄소 시스템’은 물에 녹아 있는 이산화탄소를 원료로 이용해 수소와 전기를 생산하는 시스템이다. 앞서 김건태 교수 연구팀은 바닷물에 많은 양의 이산화탄소가 녹아 있는 현상에 착안해 수계 금속-이산화탄소 시스템 개발했다. 이 시스템에서는 이산화탄소(CO2)가 물(H2)에 녹아 생기는 수소이온(양성자, H+)이 전기화학적 반응을 통해 환원돼 수소가 만들어진다. 이 때 전기화학 반응에 필요한 에너지 장벽을 낮추기 위해 촉매를 사용하는데, 기존의 금속-이산화탄소 시스템에는 백금(Pt) 등의 귀금속 계열 촉매가 활용됐다. 고가의 귀금속 계열 촉매의 대안으로 다양한 금속 산화물 및 탄소 촉매들이 제시됐으나, 이 촉매들은 이산화탄소가 포화 된 환경에서 수소 발생 활성도가 낮다는 단점이 있었다. |
김건태·백종범 교수 공동 연구팀은 이산화탄소가 포화된 전해질에서도 잘 작동하는 금속 유기물 복합 촉매를 만들었다. 루테늄 금속 (Ru)’ 과 ‘다공성 탄소 지지체 (PSC)’가 결합된 ‘루테늄 탄소 복합 촉매 (CF-Ru@PSC)’는 이산화탄소가 포화(saturated)된 전해질에서도 백금 촉매 만큼 우수한 수소 발생 반응 활성도와 1000시간의 구동에도 높은 안정성을 보였다. 탄소지지체에 붙은 카르복실(COOH) 작용기가 루테늄을 지지체에 더 단단히 고정시키는 ‘중간매개체’ 역할을 하기 때문이다. 쓰임을 다한 카르복실 작용기는 가열해 쉽게 제거 할 수 있다. |
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제1저자인 김정원 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “카르복실기가 사라지고 나면 루테늄 금속과 탄소 지지체의 강한 결합이 일어나는데, 여기서 추가적인 촉매 반응이 일어나 이산화탄소가 포함된 전해질에서도 수소 발생 반응 활성도가 높다”고 설명했다. |
이번에 개발된 촉매는 제조 공정도 간단해 대량생산이 가능할 뿐만 아니라 저렴한 루테늄 금속과 탄소 원료를 사용해 가격이 기존 백금촉매의 1/10수준으로 저렴하다. 김건태 교수는 “수계 금속-이산화탄소 시스템에 백금 대신 값싼 재료로 만든 고효율 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며 “이번 연구를 통해 차세대 전극 신소재 개발과 안정성 문제를 동시에 해결할 단서도 제공했다”고 연구 의의를 밝혔다. UNIST 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood) 연구교수와 POSTECH의 한정우 교수가 각각 공동교신저자, 공동저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야 국제학술지 Journal of Materials Chemistry A에 5월 29일자로 온라인 공개됐으며, 표지논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 한국동서발전, 과학기술정보통신부-한국연구재단(NRF) 등 지원으로 이뤄졌다. |
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논문명: Identifying the electrocatalytic active sites of a Ru based catalyst with high Faraday efficiency in CO2-saturated media for an aqueous Zn–CO2 system |
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[붙임] 연구결과 개요 |
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1. 연구배경 이산화탄소로 인한 기후변화 문제가 심각해짐에 따라 ‘이산화탄소 활용 및 저장기술(Carbon Capture, Utilization and Storage; CCUS)’이 주목받고 있다. 쓸모없이 버려지는 이산화탄소를 화학적으로 전환해 메탄올이나 유기 화합물, 플라스틱 같은 고부가가치의 생성물을 만들어내는 기술이다. 하지만 기체 상태의 이산화탄소는 아주 안정적인 상태라서 그 결합을 끊고 다른 물질로 화학적 변환이 어렵다. 하지만 이산화탄소를 물에 용해시키면 손쉽게 수소 이온(H⁺)과 탄산수소 이온(HCO₃⁻) 상태로 변한다. 이러한 화학반응(용해반응)에 착안에 최근 김건태 교수팀은 이산화탄소를 활용해 전기와 수소를 생산하는 기술인 ‘수계 금속(아연)-이산화탄소 시스템(Aqueous Zn-CO₂ system)’을 보고했다. 수계 금속 이산화탄소 시스템에서는 수소 이온이 환원되는 반응이 일어나는데 이 반응을 촉진하기 위해서는 촉매가 필요하다. 기존 수계 금속-이산화탄소 시스템에는 백금(Pt) 등의 귀금속 계열 촉매가 활용되었다. 하지만 백금은 가격이 비싸고 불안정하다는 단점이 있다. 귀금속 계열 촉매의 대안으로 다양한 금속 산화물 및 탄소 촉매들이 제시됐으나, 이 또한 이산화탄소가 포화 된 환경에서 수소 발생 활성도는 비교적 낮다는 한계가 있었다.
2. 연구내용 이번 연구에서는 ‘루테늄 금속 (Ru)’ 과 ‘다공성 탄소 지지체 (PSC)’가 결합된 ‘루테늄 탄소 복합 촉매 (CF-Ru@PSC)’를 제조했다. 이 물질은 이산화탄소가 포화된 환경에서 수소 발생 반응에서 우수한 활성도를 보였다. 단순 담지(지지체에 금속입자를 부착하는 공정) 공정으로 합성한 촉매보다 작용기(-COOH)를 이용해 단단히 탄소 지지체에 결합한 촉매가 보다 우수한 수소 발생 반응을 보였다. 탄소 지지체에 단단히 결합된 루테늄 금속은 상용 Pt 촉매 보다 뛰어난 안정성을 보였으며, 강하게 결합(담지)된 루테늄-탄소 지지체 표면에서 우수한 수소 발생 반응성을 보이는 것을 밝혀냈다. 이렇게 추가적으로 생성된 전기화학 활성 자리(촉매 반응이 일어나는 자리)는 수소 발생 반응을 보다 뛰어나게 만들어주며, 촉매를 적용한 수계 금속-이산화탄소 시스템은 장기간(1,000시간) 구동해도 안정적인 이산화탄소 변환율 및 수소 발생 효율을 갖는다.
3. 기대효과 기존에 보고된 수계 금속-이산화탄소 시스템에 적용된 촉매는 귀금속 계열 물질이 뛰어난 활성을 보였다. 이번 보고된 연구를 활용하면, 이산화탄소가 포화된 환경에서도 수소 발생 반응이 뛰어난 다양한 금속 물질-유기 지지체 촉매를 설계할 수 있을 것으로 기대가 된다. 더불어 수계 금속-이산화탄소 시스템의 수소 발생 전극으로 값싼 재료로 만든 고효율 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것으로 예상된다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림1. 루테늄 및 탄소 지지체 촉매 합성 모식도: 단순한 공정을 통해 수소 발생 촉매의 대량 생산이 가능함. 다공성 탄소지지체에 카르복실 작용기(COOH)를 도입하면, 작용기가 루테늄 입자(이온)이 지지체에 더 잘 고정 될 수 있게 해준다. 작용기는 열처리 공정을 이용해 제거한다. |
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그림2. 루테늄 및 탄소 지지체 촉매(붉은색)의 전기화학 성능 분석: 상용 Pt(검은색 그래프) 계열 촉매보다 뛰어난 전기화학 성능을 보임. 그림(A) 수소 발생 반응에 필요한 추가적인 에너지인 과전압이 낮음(그래프가 꺽이는 지점) (B) 가격당 발생하는 전류를 나타냄. Pt/C 보다 가격대비 효율적인 성능을 보임. 그림(C) 동일전압에서 개발된 촉매의 전류밀도가 높음. 전류 밀도가 높을수록 생산되는 수소양이 많음. |
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그림3. 루테늄 및 탄소 지지체 촉매 수소 발생 활성 위치 분석: 루테늄과 탄소 지지체의 강한 결합(binding energy)이 있는 곳에 수소 발생 반응 활성도가 뛰어난 것을 확인함. |
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그림4. 수계 금속-이산화탄소 시스템 장기 구동 성능 및 이산화탄소 변환: 상용 Pt 계열 촉매보다 뛰어난 전기화학 성능 및 안정성을 보임(그래프가 일직선으로 유지). 장기 구동 결과 이산화탄소가 탄산염으로 최종 포집된 형태 확인. |
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