[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

기후변화의 심각성이 전 세계적으로 대두됨에 따라 이를 해결하기 위한 친환경 기술개발이 요구되고 있다. 지구온난화의 주범인 이산화탄소는 산업화의 부산물로 그 배출량과 대기중 농도가 꾸준히 증가하고 있으며, 추가 배출을 억제하고 대기 중 농도를 줄이기 위해 범지구적 노력이 진행 중이다. 전기화학적 이산화탄소 전환 기술은 실용적이며 지속가능한 사회 구현을 위한 대안으로 주목 받고 있으며, 특히 사용되는 에너지를 신재생에너지로부터 차용할 경우, 간헐적으로 생성되는 신재생에너지를 화학에너지로 저장할 수 있는 추가적인 장점이 있다.

이산화탄소는 열역학적으로 매우 안정한 기체로 다른 물질로 변환하기 위해서는 에너지의 투입과 더불어 반응의 활성과 선택성을 제어 할 수 있는 촉매소재의 개발이 필수적이다. 특히, 대부분의 이산화탄소 전환 반응의 환원 전위는 경쟁 반응인 수소 생성 반응의 것과 매우 유사하기 때문에, 실질적인 활용을 위해서는 경쟁 반응을 획기적으로 억제하는 기술이 요구된다.

 2.연구내용

이번 연구에서는 전기화학적 양이온 주입 공정을 개발하여 1nm(나노미터, 10-9m) 이하의 원자 수준 공간을 가지는 고도로 제어된 주석 산화물 기반 촉매 소재를 개발하였다. 또한, 제어된 계면 전기장이 촉매 활성을 개선하는 것을 실험 및 이론적으로 규명함으로서 값싼 비 귀금속 촉매를 이용한 고효율 이산화탄소 전환 반응의 가능성을 제시하였다.

전기화학적 양이온 주입 공정의 양이온 주입량 조건을 단계적으로 제어하여 입계와 같은 결함(원자 배열이 어긋나는 것)이 형성되고, 형성된 결함이 증식과 확장되어 주석 산화물 소재 내 원자 수준의 공간이 형성되는 것을 확인했다. 이 기술로 원자 수준(6Å)의 공간을 가지는 주석 산화물 소재 합성에 성공하였다. 6Å 크기의 공간을 가지는 주석 산화물 소재는 공정이 적용되지 않은 상용 주석 산화물 소재와 비교하여 낮은 과전압을 보일 뿐만 아니라 19배 및 1.2배 향상된 활성도 및 선택도를 보였으며, 50시간 동안 활성도 및 선택도가 유지됐다. 높은 활성도, 선택도 및 안정성을 갖는 주석 산화물 기반 이산화탄소 환원 전기화학 촉매 소재를 개발한 것이다.

또한, 밀도범함수이론(Density Functional Theory) 계산을 통해 주석 산화물 소재가 6Å 크기의 원자 수준 공간을 가질 때, 수소 발생 반응을 효과적으로 억제할 수 있어 속도결정 단계의 중간화합물 형성 에너지가 안정화될 수 있음을 밝혀냈다.

3.기대효과

본 연구에서 개발된 원자 수준으로 제어된 공간을 가지는 주석 촉매는 전기화학적 이산화탄소 전환 기술의 실질적인 활용을 제한했던 경쟁 반응을 효과적으로 억제함으로서 기후변화 및 온실가스 문제 대응에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 더불어, 제시된 기술은 다양한 전기화학 촉매 연구분야로 확장이 가능하여 연구개발의 의의가 크다.

[붙임] 용어설명

1.과전압 (Overpotential)

평형 조건에서의 반응 포텐셜과 실제로 반응이 일어나는 포텐셜의 차이. 과전압이 클수록 에너지 소모가 높고, 촉매 수명이 떨어진다. 

 2. 주사 투과 전자 현미경 (STEM, Scanning Transmission Electron Microscopy)

보다 미세한 크기(일반적으로 0.05-0.2 nm)의 초점을 가지는 투과 전자 현미경으로, 전자 빔이 표본을 통해 전달되어 상을 형성함. 

3. 반응 속도결정단계 (Rate Determining Step)

일반적인 화학 반응은 여러 단계를 거쳐 발행하는데, 그 중 반응속도가 가장 느린 단계를 반응 속도결정단계라 한다. 반응 속도결정 단계는 전체 반응의 병목 현상 역할을 해 전체 반응속도를 결정한다. 

 4.밀도 범함수 이론 (DFT, Density Functional Theory)

물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론의 하나이다.

[붙임] 그림설명