에너지/환경

중국과기대, 신형 촉매에 의한 이산화탄소의 고선택적 에너지 전환 달성

발행일 : 2019 / 07 / 30

최근, 중국과기대 허페이(合肥)미세규모물질과학국가연구센터 쑨융푸(孫永福)/셰이(謝毅) 연구팀은 바이메탈 활성부위 초박형 나노시트 촉매를 설계함과 아울러 해당 촉매가 이산화탄소 광환원 생성물에 대한 높은 선택성을 달성했다. 해당 연구성과는 “Nature Energy”에 게재됐다.

이산화탄소 과도 배출은 온실효과를 초래하며 인류의 지속가능한 발전에 영향을 미치는 주요 문제이다. 식물의 광합성 작용에서 영감을 받고 과학자들은 인공 광합성 작용을 이용하여 자연환경 조건에서 촉매로 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환시키는 방법을 설계했다. 이는 대기 중의 이산화탄소 농도를 감소시키는데 도움이 될 뿐만 아니라 고부가가치 탄소 기반 연료를 획득할 수 있다. 하지만 이산화탄소 환원 생성물 종류의 다양성, 환원 생성물의 환원전위가 비슷한 등 문제점으로 환원 생성물의 선택성을 효과적으로 제어할 수 없다. 따라서 이산화탄소의 메탄으로 고선택성 환원은 큰 어려움으로 되고 있다.

프로젝트팀은 바이메탈 활성부위 초박형 나노시트를 설계하여 이산화탄소 환원 생성물의 선택성을 정밀 제어했다. 기존에 제조한 결함상태 CuIn5S8 초박형 나노시트를 사례로 이론적 시뮬레이션 및 원위치 적외선 분광 테스트 결과, 다음과 같은 과정이 입증됐다. 1) 저배위(Low coordination) 구리 및 인듐 위치는 이산화탄소 분자와 작용하여 고안정성 구리-탄소-산소-인듐 중간체를 생성하고 해당 중간체가 동시에 분열되어 자유상태의 일산화탄소 분자를 형성할 경우 매우 높은 반응에너지 장벽을 극복해야 한다. 2) 상대적으로 해당 중간체의 탄소 원자에 수소를 첨가하여 수산기 중간체를 형성하는 반응은 발열반응이고 또한 자발적으로 진행될 수 있기에 약 100%에 달하는 메탄 선택성을 획득할 수 있다. 광촉매 테스트 결과, 황 함유 결함 CuIn5S8 초박형 나노시트는 가시광선 조건에서 이산화탄소를 메탄으로 환원시키는 선택성은 약 100%에 달함과 아울러 비교적 높은 생성률을 달성할 수 있음이 입증됐다.

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