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산업

[CO₂] KIST, 탄소 자원화 실현 촉매 개발

by TheCCE 2022. 9. 19.
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KIST, ‘이산화탄소(CO₂) →일산화탄소(CO)’로 전환하는 황화니켈 촉매 개발

단원자 촉매의 전자구조를 모사하는 새로운 촉매 개발법 제시

 

 

 

 

국내 연구진이 지구온난화를 일으키는 온실가스 원인 중 하나인 이산화탄소의 자원화를 실현할 새로운 촉매 소재를 개발했다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀이 온실가스의 주범인 이산화탄소를 산업계의 원료로 쓰이는 일산화탄소로 전환할 때 쓰이는 황화니켈 촉매 물질을 개발했다고 밝혔다. 

 

개발된 촉매는 실제 전환 시스템에 적용한 결과 기존 니켈단일원자 촉매보다 3배 이상의 이산화탄소 전환 성능을 보였다.

 

이산화탄소는 지구온난화를 유발하는 물질 중 대부분을 차지하며 온실효과에 미치는 영향 또한 가장 크다. 

 

그런데 전기화학적 환원 반응을 이용하면 일산화탄소, 에틸렌, 개미산, 메탄올 등 유용한 화합물로 변화시킬 수 있어 이를 포집·활용·저장하고자 하는 연구개발이 활발히 이루어지고 있으며, 특히 일산화탄소(CO)는 산업계에서는 매우 중요한 기초 원료로 이용된다. 일산화탄소는 화학적으로 매우 불안정해 화학, 금속, 전자산업 등에서 환원제로 주로 활용되고 있으며, 에너지 투입 대비 생산량이 많아 이산화탄소로 만들 수 있는 화학원료 중에서도 경제적 가치가 가장 높은 물질이다.

 

이산화탄소의 일산화탄소 전환 연구는 가격이 비싼 은과 금 같은 귀금속 촉매를 기반으로 이루어져 왔다. 본격적인 상용화를 위해서는 저렴한 촉매 소재의 개발이 관건이었는데, 니켈(Ni) 기반의 단일원자 촉매가 귀금속 촉매의 대안으로 개발되었지만 이산화탄소 전환 속도, 즉 최대 전류량이 낮다는 한계가 있었다.

 

연구진은 상대적으로 저렴한 황화 니켈 촉매를 제안하고, 이를 실제 시스템에 적용해 높은 성능을 얻었다. 일반적으로 단일 원자상태의 니켈만 이산화탄소 전환이 가능하고, 이외의 금속상태의 니켈 촉매는 이산화탄소 전환 성능이 없다고 알려져 있었다. 

 

하지만 실시간 분석(Operando analysis)을 통해 연구한 결과 황화니켈 촉매는 반응 중에 단일 원자 니켈 촉매의 전자구조를 모사해 높은 전기화학적 이산화탄소 전환 활성을 보이는 것을 확인했다. 또한 전력효율(패러데이 효율3))역시 기존 니켈 단일원자 촉매(22%)보다 3배 이상(70%) 향상되는 것으로 확인됐다.

 

KIST 오형석 박사는 “니켈 단일원자 촉매의 반응과 거동을 실시간으로 분석해 모사한 황화니켈 촉매 물질은 전자구조 모방이라는 독창적인 촉매 연구개발 방법을 통해 탄생했으며, 이러한 방법을 통해 다양한 저가 촉매를 개발할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다는데 이번 연구의 의의가 있다.”고 말했다. 또한 “향후 장시간 내구성 등의 후속연구를 통해 황화니켈 촉매의 빠른 상용화에도 힘쓸 계획”이라고 밝혔다.

 

 

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본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 ‘KIST 주요사업’, ‘Carbon to X 사업’ 및 국가과학기술연구회(이사장 김복철)의 ‘창의형 융합연구사업’으로 수행되었다. 또한, 에너지 환경 분야 국제 저널인 「Advanced Energy Materials」 (IF: 29.698, JCR 분야 상위 2.464%) 최신 호에 게재되었다.

 

* (논문명) Real-Time Mimicking the Electronic Structure of N-Coordinated Ni Single Atoms: NiS-Enabled Electrochemical Reduction of CO2 to CO

 

- (제 1저자) 한국과학기술연구원 한만호 박사후연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 이웅희 선임연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 오형석 책임연구원

 

 

[그림 1]  Ni 단일 원자 촉매 모사 NiS 촉매 개요도

 

 

 

[그림 2] NiS 촉매가 Ni 단일 원자 촉매의 전자구조를 반응 중에 모사함을 나타낸 개요도

 

 

 

[그림 3] NiS 촉매가 Ni 단일 원자 촉매를 이산화탄소 전환 반응 중에 모사하는 방법을 예상한 모식도

 

 

 

[그림 4] Ni 단일 원자 촉매와의 전자구조 유사도와 이산화탄소 전환 효율 간의 관계

 

 

 

 

 


 

 

 

 

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