[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

암모니아는 Top 10 화합물로써 음식, 비료, 제약, 다른 화합물 합성 등 다양한 곳에 쓰이고 있다. 하지만 현대 사회 대부분의 암모니아는 하버-보슈 방법을 통해 생산되는데, 400-450 ℃ 및 150-250 atm에서 구동되기 때문에 전 세계의 1% 이상 에너지 소비 및 1-2%의 CO2를 배출한다. 때문에 많은 과학자들이 그린 암모니아 생산에 집중하고 있다. 이 때 광전기화학적인 질산염 환원을 통한 암모니아 생산은 CO2 방출 없이 상온 상압에서 가능하기 때문에 미래기술로 촉망받고 있다. 하지만, 현재 본 광전기화학적 접근은 낮은 광-암모니아 전환 속도 및 외부 전압의 필요성 때문에 상용화를 하는데 상당한 제약이 있다. 외부전압의 필요성은 결국 암모니아의 단가 상승 및 진정한 친환경 암모니아 생산이라고 말할 수 없으므로, 외부전압 없이 1000 μgNH3 cm-2h-1 (친환경 수소 생산 기준으로 알려진 광전류 10 mA cm-2의 전환값) 이상의 친환경 암모니아 생산을 위해서는 일반적인 상대 반응인 산소 발생 반응 (1.23 VRHE)의 높은 열역학적 요구 전압 및 낮은 반응속도를 창의적으로 극복할 필요가 있다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 페로브스카이트의 안정성 문제를 극복하기 위해 기존의 페로브스카이트의 성능은 유지하면서 물과의 접촉을 차단할 수 있는 물질을 이용하였다. 액화·응고 변화가 자유로운 필즈 메탈3)을 이용하여 페로브스카이트와 산소 환원 촉매를 각각 성공적으로 접합하는 동시에 페로브스카이트와 물의 접촉을 완전 차단하면서 기존의 수계 전해반응에서 나타나는 페로브스카이트의 한계를 벗어나 수계에서 작동 가능한 고성능·고안정성 광전극 개발을 목표로 하였다.

연구팀은 필즈메탈의 액화·응고 변화가 자유로운 성질을 이용하여 페로브스카이트의 안정성을 확보하는 동시에 전하 전달 능력을 유지하면서 전달된 전하가 원하는 반응에 사용될 수 있도록 활성 촉매까지 성공적으로 연결시켜 광활성이 뛰어난 페로브스카이트 광전극으로 긴 시간 암모니아를 생산하는데 성공했다. 62◦C에서 용해되는 금속인 필즈메탈은 기존 금속과 같이 전도성은 매우 뛰어나면서도 많은 금속의 녹는점(800◦C 이상)과 다르게 고체·액체 상태 변화가 매우 자유로워 물리적인 접합이 훨씬 수월하다. 이를 이용해 기존의 ‘수계 전해 반응 시 나타나는 페로브스카이트 물질 파괴 현상’의 약점을 공략하여 ‘고성능 페로브스카이트 광-전기 전환 효율을 활용한 수계 전해 반응’을 새롭게 제시한 것이다.

더하여 본 연구팀은 질산염환원4) 촉매로 루테늄촉매를 티타늄 나노시트 위에 올려 사용했다. 이를 통해 표면적을 극대화함과 동시에 적합한 전자적 구조를 만들고 물리적인 성질을 강화시켜 페로브스카이트 위에서 고성능 촉매로 작용할 수 있었다. 이 물질은 암모니아 생산이 100%의 패러데이 효율5)로 가능한데, 이를 성공적으로 페로브스카이트와 접합하여 페로브스카이트로부터 나온 전자를 암모니아 생성에 쓰일 수 있도록 한 것이다.

마지막으로 연구팀은 본 연구에서 극복해야할 물 산화의 문제점을 글리세롤 산화6) 반응으로 극복했는데, 이 때 백금 촉매를 티타늄 나노시트 위에 올려 루테늄 촉매처럼 표면적, 전자 구조, 물리적 안정성을 향상시켜 글리세롤 산화 반응 속도를 극대화할 수 있었다. 이로써, 외부 전압이 필요없는, 순수하게 태양빛으로만 암모니아를 생산하는 시스템을 개발했는데, 이 때 광-암모니아 전환 속도는 1745 μgNH3 cm-2h-1로써 세계 최초로 1000 μgNH3 cm-2h-1가 넘는 광-암모니아 전환 속도를 선보였다.

3. 기대효과

본 연구팀이 제시한 ‘고성능 페로브스카이트 광-전기 전환 효율을 활용한 수계 전해 반응’으로 수계 전해 반응에서의 페로브스카이트의 치명적인 단점을 극복하면서 친환경 연료인 암모니아를 높은 광-암모니아 전환 속도로 생산할 수 있었다.

차세대 광에너지 전환 물질로 각광받는 페로브스카이트를 이용하여 높은 광-화학에너지 속도로 타겟 연료를 생산할 수 있는 기술이기 때문에 수계 전해 반응에서의 제약이 걸리지 않으며, 결과적으로 암모니아 생산 뿐 아니라, 폐 유기물의 고부가화나 과산화수소 생산 등 차세대 친환경 사회 실현을 위한 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 페로브스카이트

페로브스카이트는 [CaTiO3]와 같은 결정 구조를 갖는 물질을 총칭하는 용어로 일반식 ABX3로 표현되며, 여기서 A와 B는 크기가 매우 다른 양이온이고, X는 두 양이온에 결합하여 있는 음이온이다. 독특한 전기적 특성을 보여 압전기, 강유전성 및 고온 초전도체 재료와 밀접한 연관이 있다.

2. 태양연료

태양연료는 태양의 무한한 에너지원인 태양광 과 태양열 을 직/간접적으로 이용하여 전기화학적, 열화학적, 광화학적/광전기화학적 반응을 통해서 생성된 제3의 유용한 연료를 통치하여 말한다

3. 필즈메탈

Field의 합금으로도 알려진 이 금속은 약 62 ° C에서 액체가 되는 가용성 합금이다. 비스무트, 주석, 인듐이 각각 32.5%, 16.5%, 51%로 존재한다. 발명가 Simon Quellen Field의 이름을 따서 명명되었다.

4. 질산염 환원

질산염이 외부로부터 전자를 받는 행위이다. 이 때 질산염의 산소는 사라지고 수소 이온이 붙으면서 암모니아로 변화한다.

5. 패러데이 효율

총 사용된 전기에너지 중 원하는 반응(본 연구는 과산화수소)에 쓰인 전기에너지의 비율이다.

6. 글리세롤 산화

글리세롤이 외부로 전자를 잃는 행위이다. 이 때 글리세롤은 값비싼 C3 acid (탄소를 3개 들고 있는 산)로 변화한다.

7. 암모니아 생산 속도 (μgNH3 cm-2h-1)

암모니아 생산 속도는 μgNH3 cm-2h-1(마이크로그램퍼센치미터스퀘어퍼아워)의 단위를 쓰며 이는 단위속도, 단위면적당 얼마만큼의 암모니아를 생산하는가를 의미한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 능동형 암모니아 생산/폐글리세롤 산화 동시 진행 시스템 모식도

본 시스템에서 페로브스카이트 광흡수 물질은 필즈메탈과 루테늄/티타늄 나노시트 촉매에 의해 보호되고 있음. 루테늄/티타늄 나노시트 물질은 광흡수물질에 의해 여기된 전자를 받아 암모니아 생산에 사용함. 동시에 생산된 정공은 티타늄 나노시트 위에 백금 촉매을 통해 글리세롤을 산화시킴.