나노기술 및 정책 정보

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● 미국 Lawrence Berkeley National Laboratory(Berkeley Lab)의 Alexis Bell 교수 연구팀은 촉매로 사용되는 구리의 표면을 나노미터(nm) 두께의 얇은 필름으로 코팅하여 온실가스인 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환하는 기술을 개발

● 주요 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 유용한 원료로 전환하기 위한 가장 유망한 방안은 전기화학적 환원(Electrochemical Reduction)이지만, 전기화학적 환원 반응에 가장 좋은 촉매인 구리는 높은 선택성을 제공하지 않고, 상업적으로 실용화되기 위해선 탄소가 풍부한 제품(carbon-rich product)을 다량 제조하기 위한 공정 개선이 필요

● 연구팀은 전기화학적 반응에 사용되는 구리 촉매의 표면 위에 이중층을 코팅하는 방안을 개발하여 공정의 선택성(selectivity)을 개선

● 이전 연구에서 연구팀은 탄소가 풍부한 제품을 만들기 위한 최상의 전기화학적 환경을 제공하는 조건을 설정하였지만, 이러한 조건은 수성의 전도성 물질을 사용하는 일반적인 연료전지에서 나타나는 조건과 반대인 상황

● 수성 환경에서도 사용될 수 있는 방안을 찾아내기 위해 연구팀은 특정 전하를 띤 분자(이온)만 통과시키고 다른 분자는 배제하는 중합체인 이오노머(ionomer)를 도입

● 연구팀은 400nm 두께의 구리 박막 위에 30nm 두께의 나피온(Nafion)과 40nm 두께의 서스테이니온(Sustainion)을 샌드위치 형태로 코팅하여, 코팅을 하지 않은 구리 박막을 사용한 경우보다 20% 증가된 탄소를 생성

● 이오노머 이중 층 내, 음전하를 띤 이오노머인 나피온은 구리 표면 근처에서 pH를 상승시키며(산성도를 낮추며), 양전하를 띤 이오노머인 서스테이니온은 이산화탄소를 더 강하게 끌어당겨 구리 박막 바로 위에서의 이산화탄소 농도를 증가시킴으로써 이산화탄소가 탄소로 전환되는 속도를 크게 향상시킴.

● 연구팀은 이오노머 없이 pH와 이산화탄소의 농도를 증가시키기 위해 사용되었던 펄스 전압 인가방식을 적용하여 이오노머로 코팅을 한 후 펄스 전압을 인가함으로써 이산화탄소의 전환 효율을 향상시킴.

● 연구팀은 평면 형태의 구리 박막 대신에 구 형태의 구리 촉매에 이오노머를 코팅하는 방법에 대한 연구를 수행할 계획

※ 용어설명

- 선택성(selectivity): 화학 반응에서 어떤 물질이 여러 물질 중에서 특정의 물질만을 선택하여 반응하는 경향

※ Nature Energy 게재(2021.10.28.), “Tailored catalyst microenvironments for CO2 electroreduction to multicarbon products on copper using bilayer ionomer coatings”