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  • 기사등록 2019-09-10 11:59:12
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[기계신문] 한국과학기술연구원(KIST) 국가기반기술연구본부 민병권 본부장, 황윤정 박사 연구팀과 서울대 재료공학부 남기태 교수팀이 전략적 협력 연구인 ‘KIST Joint Research lab’ 사업을 통해 인공광합성 분야의 난제 중 하나인 이산화탄소로부터 포름산을 안정적으로 만들어내는 전기분해 기술을 개발했다.


인공광합성 기술은 태양광과 같은 신재생 전기에너지를 이용하여 물과 이산화탄소를 탄화수소 화합물로 전환하는 기술이다. 이 기술은 이산화탄소 저감 효과와 더불어 유용한 연료 및 고부가가치 화학 원료를 생산하기 때문에 미래 친환경 에너지 및 화학 산업을 선도할 수 있는 핵심 기술이다.


‘팔라듐’ 금속을 촉매로 활용하면 이산화탄소를 포름산으로 전환할 수 있다. 포름산은 상온에서 자발적으로 수소로 전환되며, 안정적인 액체 상태로 존재하여 운반이 쉽다. 따라서 향후 차세대 자동차 연료로 사용될 가능성이 크며 수소 에너지 산업과도 깊은 연관성을 가지는 중요한 화학물질이다.


팔라듐 금속은 이산화탄소로부터 포름산을 전기화학적 방법으로 전환할 때, 가장 효과적인 촉매로 알려져 있다. 매우 높은 선택도로 포름산을 만들어내는 획기적인 소재다. 하지만 반응 도중 생성되는 물질인 일산화탄소가 촉매 표면에 흡착되어 촉매 성능이 빠르게 저하되는 고질적인 문제가 있어서 산업적으로 활용되지 못하고 있다.


서울대-KIST 공동 연구팀은 팔라듐 기반 촉매의 성능 저하 메커니즘에 대해 먼저 논의했다. 일산화탄소 흡착이 전류밀도를 감소시킬 뿐만 아니라, 수소 흡착력을 약화시켜 수소화물(hydride) 생성을 저해하고 경쟁 반응인 수소 발생을 증가시킨다는 것을 관찰하였다.


이는 강한 수소 흡착력이 높은 포름산 선택도에 중요하다는 것을 암시한다. 그러나 수소, 일산화탄소 흡착력은 이론적으로 선형적 상관관계를 가지기 때문에 강한 수소 흡착력을 가지면 일산화탄소 흡착력도 강할 수 밖에 없다. 이러한 복잡한 상관관계 때문에 실질적으로 촉매 개발을 통해 일산화탄소 흡착을 완벽하게 억제하는 것은 쉽지 않다.


연구팀은 이산화탄소 환원 반응 후에 순환전압전류법(Cyclic voltammetry)으로 촉매 표면에서 일어나는 산화 반응을 관찰하였을 때, 표면에 흡착된 일산화탄소가 먼저 산화된다는 것을 발견하였다. 게다가 일산화탄소 산화가 일어나는 산화 전위에서 포름산 산화가 전혀 일어나지 않는다는 것도 알 수 있었다.



▲ 2단계 전기분해법을 이용한 전기화학적 포름산 생성 기술의 모식도 및 성능



이는 산화 전위의 범위 및 시간을 조절하면 일산화탄소만 선택적으로 산화시킬 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 발견을 바탕으로 환원 전위와 산화 전위를 번갈아 가하는 ‘2단계 전기분해법’을 고안하였다. 10분 동안 환원 전위를 걸어준 뒤 10초 동안 산화 전위를 걸어주는 이 두 단계를 반복하였다.


그 결과, 약 130mV의 낮은 과전압에서 45시간 동안 전류밀도가 그대로 유지되었으며 포름산 전환 선택도도 98%로 우수한 성능을 얻을 수 있었다. 같은 촉매를 이용하여 2단계가 아닌 ‘정전위 전기분해법’을 사용할 경우, 단 6시간 안에 전류밀도는 63%, 포름산 선택도는 24%만큼 감소하였다.


산화 단계에 사용되는 에너지 소비는 환원 단계와 비교하여 단지 2%에 불과하기 때문에 거의 추가적인 에너지를 들이지 않고 안정성을 확보하였다고 볼 수 있다. ‘2단계 전기분해법’은 다양한 전기화학적 반응에서 촉매 안정성과 관련된 문제들을 해결하기 위한 일반적인 방법론을 제공할 것으로 기대된다.


KIST 민병권 본부장은 “이번 연구는 국내 최고의 대학과 연구소의 연구자들이 힘을 합쳐 인공광합성 기술의 가장 어려운 숙제인 촉매 안정성 문제를 해결하기 위한 돌파구를 마련했다는 점에서 큰 파급력이 있다”고 설명하며 “또한 이번 연구를 주도적으로 수행한 이찬우 박사는 올해 국민대 응용화학과 조교수로 임용되는 등 연구 성과뿐만 아니라 인재 양성 측면에서도 새로운 학연 협력의 좋은 모델을 구축했다는 점에도 큰 의의가 있다”고 덧붙였다.


KIST는 2016년부터 국내의 유능한 교수를 선정하여 KIST 연구팀과의 전략적 협력 연구를 통해 고난도 기술 난제 해결 및 세계적 연구 성과 창출을 위한 새로운 형태의 융합연구 프로그램인 ‘KIST Joint Research Lab’ 사업을 진행하고 있다. 특히 서울대-KIST Joint Research Lab은 우리나라 인공광합성 기술의 실용화를 위한 허브가 될 것으로 기대하고 있다.


한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST Joint Research Lab 사업으로 수행되었으며 연구 결과는 종합 과학 분야 국제 학술지인 「Nature Communications」 최신호에 게재되었다.



▲ 서울대-KIST Joint Research Lab 심포지움 개최 단체기념 사진. 서울대-KIST Joint Research Lab은 우리나라 인공광합성 기술의 실용화를 위한 허브가 될 것으로 기대하고 있다.


권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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