나노기술 및 정책 정보

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제75차 유엔총회 기간 중 중국은 이산화탄소 배출량을 오는 2030년도 전까지 피크 수치에 도달시키고, 오는 2060년도 전까지 탄소 중립을 실현하겠다는 목표를 제시함.

"탄소 피크 수치"와 "탄소 중립" 목표를 실현하는 큰 배경 하에서 풍력 발전, 태양광 발전 등 재생 가능한 에너지에 기반하여 전기 촉매로 CO2를 생성시키는 연구는 경제 가치를 보유하고 있는 일산화탄소, 에탄올 등 연료 화학제품 분야에서 중요한 의미를 보유하고 있음.

현재 생성물의 선택성을 향상시키고, 촉매 전위(catalytic potential)를 낮추고, 촉매 반응 전류 밀도를 향상시키는 등 관건적인 과학 과제에 대한 연구는 현재 이미 진전된 상황이지만 CO2 전기 촉매 환원 반응의 전류 밀도는 아직도 비교적 작기 때문에 공업화 응용 요구를 충족시키지 못하고 있는 상황임.

이런 상황에 근거하여 중국과학원 칭다오(靑島, 청도) 바이오 에너지 및 과정(過程) 연구소 류리청(劉立成, 유입성) 연구원이 주도하는 "환경 친화적인 촉매 과정(過程) 연구팀"은 고효율 전기 촉매로 CO2 환원을 통해 CO 생성하는데 성공함.

연구팀은 전이 금속 단일 원자 촉매의 탄소 로드 체에 대해서는 아민화 변성을 실시하여 촉매제의 전자 구조를 조정 제어한다는 원천적인 연구 결론을 도출하고, 보편성을 보유하고 있는 아미노기화 변성 방법을 개발하였는데, 이 방법은 Ni, Fe, Zn 등 단일원자 촉매제의 전기 촉매로 CO2 환원을 통해 CO를 생성시키는 본질 특징 전류 밀도를 효과적으로 향상시키는 것으로 나타났음.

연구팀은 관련 연구개발 성과에 기반하고 가스 확산 전극의 유동 반응기를 한층 더 최적화하여 공업 응용 수준의 반응 전류 밀도를 실현하는데 성공하였음.

아민화된 니켈 단일 원자 촉매제는 0.89V의 과전위 하에서 400mA/cm2를 초월하는 활성 전류 밀도를 실현하는 것으로 나타났으며, 90%에 접근하는 전류 효율을 유지하는 것으로 나타났음.

연구팀은 메커니즘에 대한 심층적인 연구를 통해 아민화 변성이 촉매제로 하여금 CO2 분자와 중간체 COOH*에 대한 흡착 능력을 증강시키고, 활성 중심 금속 단일 원자와 탄소 로드 체 아미노기 간의 전하 전이는 본질 특징을 보유하고 있는 촉매 활성을 증강시키는 주요 원인이 된다는 점을 제시하였음.

본 연구 성과는 ‘Energy & Environmental Science’ ("Amination strategy to boost CO2 electroreduction current density of M-N/C single-atom catalysts to industrial application level")에 게재됨.