October 21,2019

“물속 금속불순물 활용, 인공광합성 촉매 성능향상 기술 개발”

KIST 연구진 "금속불순물이 '질소 도입한 탄소 촉매' 효율 높여"

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물속에 들어 있는 금속불순물을 이용해 지구온난화 원인인 이산화탄소(CO₂)에서 화학산업 원료인 일산화탄소(CO)를 생산하는 인공광합성 촉매의 성능을 높이는 기술이 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST) 민병권 국가기반기술연구본부장과 황윤정·김찬연 박사 연구팀은 그동안 인공광합성 촉매의 성능을 떨어뜨리는 요인으로 여겨온 물속 금속 불순물을 거꾸로 촉매 효율과 안정성을 높이는 데 활용하는 촉매 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

지구 온난화 주범으로 꼽히는 이산화탄소를 전기화학적인 방법으로 일산화탄소 같은 유용한 화합물로 전환시키는 연구는 온실가스를 줄이면서 유용한 자원을 생산할 수 있는 인공광합성 구현의 핵심 기술이다.

현재 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 데에는 금·은 같은 고가 소재 촉매들이 사용된다. 하지만 이러한 귀금속 촉매들은 전해질로 사용되는 물속에 존재하는 아주 적은 양의 금속 불순물이 흡착되면 성능이 급격히 떨어지는 문제점을 갖고 있다.

물속에 약 0.05ppm(백만분의 일) 수준의 극미량의 철 이온 불순물만 있어도 귀금속 촉매의 성능은 1시간 이내에 80% 이상 감소한다.

민 본부장 연구팀은 이런 문제를 극복하기 위해 질소가 도입된 탄소 소재를 촉매 전극으로 사용했다. 이 촉매는 탄소에 결합한 질소 원자 사이에 금속 불순물인 철 이온이 안정적으로 자리 잡을 수 있는 분자구조를 가지고 있다.

이 촉매 전극에서는 반응 도중 물속에 있는 금속 불순물 이온들이 질소 원자들 사이에 결합하게 되는데, 이때 촉매의 성능이 떨어지는 게 아니라 오히려 일산화탄소 생성 성능이 높아진다고 민 본부장은 설명했다.

연구팀이 이 촉매를 일반적인 수돗물에 함유된 철 이온 농도인 0.05ppm보다 50배 진한 농도의 물에서 실험한 결과 기존 촉매 대비 최대 80% 이상 향상된 성능으로 120시간 이상 안정적으로 일산화탄소를 생산할 수 있는 것으로 확인됐다.

민 본부장은 “이 연구로 개발된 저렴하고 안정적인 탄소 소재 촉매는 향후 인공광합성과 이산화탄소 자원화 기술의 실용화를 앞당기는 데 크게 도움을 줄 수 있을 것”이라고 기대했다.

이 연구 결과는 촉매 분야 과학전문지인 ‘미국 화학회 에너지 레터즈’(ACS Energy Letters) 최신호에 게재됐다.

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