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인공광합성, 고성능 대면적 전극 시스템 개발
인공광합성, 고성능 대면적 전극 시스템 개발
  • 이진수 기자
  • 승인 2020.07.03 06:59
  • 댓글 0
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[더리포트] 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 인공광합성의 주요 연구분야인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에서 높은 효율로 일산화탄소를 얻을 수 있는 나노 크기의 산호 형태를 지닌 은 촉매 전극 및 대면적 시스템을 개발했다.

이 시스템은 국가기반기술연구본부 청정에너지연구센터의 오형석, 이웅희 박사 연구팀과 베를린공과대학과(TU-Berlin)의 공동 연구를 통해 이뤄졌다.

3일 한국과학기술연구원에 따르면 인공광합성 시스템은 지구온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 고부가가치를 갖고 있는 화학 물질로 전환하는 기술로, 환경오염 없이 이산화탄소를 제거하고 유용한 화학물질을 얻을 수 있다. 특히, 최근에는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 분야가 높은 관심을 받고 있다.

기존 이산화탄소 전환 연구는 액체 상태(액상)에서 주로 진행되어 왔다. 하지만 액상에서는 전극을 물에 담근 형태로 성능을 측정하는데, 이산화탄소가 물에 잘 녹지않아 투입 에너지 대비 충분한 효율을 얻지 못하고 있었다. 최근 액체가 아닌 기체 상태에서 이산화탄소를 전환하는 시스템이 개발되어 효율을 높일 수 있을 것이라는 기대가 있었지만, 시스템에 적용할 수 있는 촉매, 전극에 개발에 대한 연구는 아직 미진한 편이었다.

(우) KIST 연구진이 개발한 고성능 대면적의 산호 형태의 은 나노 촉매 전극부(전극 크기 50 cm), (좌) 기존 기체 상태의 인공광합성용 촉매 전극(전극 크기 2cm) (사진=한국과학기술연구원.)
(우) KIST 연구진이 개발한 고성능 대면적의 산호 형태의 은 나노 촉매 전극부(전극 크기 50 cm), (좌) 기존 기체 상태의 인공광합성용 촉매 전극(전극 크기 2cm) (사진=한국과학기술연구원.)

KIST-TU Berlin 공동 연구진은 일산화탄소 생성 효율이 높은 기체상태(기상)에서의 이산화탄소 전환 시스템용으로 나노크기의 산호형태 모양을 지닌 은 촉매 전극을 개발하였다. 해당 촉매는 기존 은 촉매에 비해 반응에 필요한 에너지가 적으며, 기존 액상 시스템에 비해 100배 이상의 일산화탄소를 생성할 수 있었다. 또한, 이산화탄소환원 시스템의 전극을 실험실 규모를 벗어나 실용화될 수 있도록 대면적화(50 cm)에 성공했다.

KIST 연구진은 다양한 실시간 분석(Operando analysis)을 통해 촉매를 개발할 수 있었다. 실시간 X-선 흡수 분석법으로 염소이온을 통해 제조된 산호 형태의 은 나노 전극 촉매가 높은 표면적 및 다공성 구조로 인해 높은 물질 전달 능력을 보이는 것을 확인했다. 이는 높은 이산화탄소 전환 효율을 보임을 뜻한다. 그리고 이산화탄소 전환 반응 시 소수성(hydrophobicity)이 없을 경우 이산화탄소 전환 효율이 감소함을 확인하여 향후 이산화탄소 전환전극 개발 시 소수성의 필요성을 밝혀냈다.​

이 연구를 진행한 KIST 오형석 박사는 “나노미터 크기의 산호 형태 은 촉매 전극의 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 전류 밀도 및 성능을 크게 향상시키고 추후 연구 방향을 제시하였다” 라며, “본 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 연구 개발에 크게 기여할 것으로 기대한다.” 라고 밝혔다.

​연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화대응기술개발사업 수행되었으며 이번 연구결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 「Nano Energy」 (IF: 15.548, JCR 분야 상위 3.716%) 최신 호에 게재되었다.


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