효율적으로 이산화 탄소 전환 가능한 육각형 구조 아연 촉매 개발
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효율적으로 이산화 탄소 전환 가능한 육각형 구조 아연 촉매 개발
  • 심혜린 기자
  • 승인 2016.08.30 21:19
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일산화 탄소 생성 반응 선택도와 물리적 안정성 높은 구조 이용해 저렴한 아연 촉매의 활성을 기존 귀금속 촉매 수준으로 높여
a), (b) 전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 아연 촉매의 구조. 육각형 모양으로 표면적을 넓히고 구조를 안정화했다.

EEWS 대학원 김형준 교수, 생명화학공학과 우성일 교수 공동 연구팀이 효율적으로 이산화 탄소를 일산화 탄소로 전환할 수 있는 육각형 아연 촉매를 개발했다. 이번 연구 결과는 지난 6월 28일 <앙케반테 케미(Angewandte Chemie Internatio-nal Edition)>에 게재되었다.

 
이산화 탄소 전환 필요성 대두해
이산화 탄소는 지구 온난화의 주범으로 꼽히는 대표적인 기체로, 화석 연료가 연소하면 생성된다. 이에 이산화 탄소를 분리하고 포집하는 연구와 더불어, 이산화 탄소를 다른 물질로 전환하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이산화 탄소를 탄소 원료로 전환해 에너지 생산에 사용하는 것이다. 이 방법은 이산화 탄소를 줄여 환경을 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 이산화 탄소를 에너지원으로 사용할 수 있어 주목받고 있다.
 
저렴하지만 성능 떨어지는 아연 촉매
이산화 탄소 전환에는 전환에 사용하는 전기에너지를 태양에너지 등 친환경 에너지로부터 얻을 수 있다는 장점을 가진 전기화학적 시스템이 널리 이용된다. 연구팀이 이용한 방식은 ▲이산화 탄소가 환원되는 작업 전극(working electrode) ▲물을 분해해 환원에 필요한 전류를 공급하는 상대 전극(counter electrode) ▲전압을 조절하는 기준 전극(refe-rence electrode)을 이용하는 3 전극 시스템이다. 연구팀은 이 방법으로 이산화 탄소를 일산화 탄소로 전환하고자 했다. 이 반응에서는 일산화 탄소와 수소가 생성되어, 생성물이 에너지원으로써 유용하기 때문이다. 하지만 이산화 탄소는 안정한 기체라 일산화 탄소를 비롯한 다른 물질로 전환하기 어렵다. 따라서 반응의 효율을 높이기 위한 촉매가 필요하다. 이산화 탄소를 일산화 탄소로 전환하는 데에는 일반적으로 금이나 은 등 귀금속이 촉매로 사용되지만, 귀금속 촉매는 가격이 비싸다는 문제가 있다. 가격이 저렴한 아연 역시 촉매 역할을 할 수 있지만, 귀금속에 비하면 상대적으로 성능이 떨어진다.
 
육각형 구조 아연 촉매로 활성 높여
연구팀은 반응의 선택도(selecti-vity)*를 높이고 구조를 안정화한 육각형 구조의 아연 촉매를 개발했다. 이 촉매는 표면적이 넓어서 다른 구조에 비해 활성점(active site)이 많다. 따라서 촉매의 활성이 높아질 뿐만 아니라, 육각형이라는 특성 덕분에 촉매의 물리적 구조 역시 안정해진다. 또한, 연구팀이 개발한 촉매는 이산화 탄소 환원 반응에 대한 선택도가 높은 (101) 결정면(crystal face)으로 구성되어 있다. 실험에서 대조군으로 사용된 아연 포일(zinc foil)을 구성하는 평평하고 완만한 (002) 결정면과 달리 (101) 결정면은 표면이 거친 피라미드 면(pyramidal plane)이다. (101) 결정면은 촉매 반응의 중간생성물을 안정시켜 일산화 탄소 생성 반응의 활성화 에너지를 낮추고 촉매 활성을 높인다.
 
구조 안정성과 활성 높은 아연 촉매
촉매의 반응 선택도를 확인할 때는 패러데이 효율(Faradaic effi-ciency)**을 측정한다. 이 경우, 선택도가 높을수록 패러데이 효율이 높다. 전류가 연구팀이 개발한 아연 촉매는 패러데이 효율이 95%로, 널리 사용되는 귀금속 촉매와 비슷한 수준이다. 아연 포일의 패러데이 효율이 30%에 지나지 않는 것에 비해 촉매의 성능이 확연히 높아졌다. 촉매의 성능 지속 시간도 기존 귀금속 촉매보다 길다.
 
이번 연구는 저렴한 아연 촉매의 활성을 귀금속 촉매 수준으로 높였으며, 그 이유를 이론적으로 규명했다는 점에서 의의가 크다. 연구에 참여한 생명화학공학과 원다혜 박사는 “촉매에서 환원에 유리한 (101) 면과 수소 생성에 유리한 (002) 면 비율을 조절하면 생성물 비율도 조절할 수 있을 것이다”라며 “이번 연구 내용이 다른 촉매 연구에서도 응용 가능할 것으로 보인다”라고 밝혔다.
 
선택도*
촉매 반응에서 원하는 반응이  다른 부반응과 비교했을 때 선택적으로 일어나는 정도.
 
패러데이 효율**
반응을 일으키는 데 사용되는 전류를 100으로 두고, 원하는 반응에 사용된 전류가 그 중 얼마인지 측정하는 것.
 

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