나노기술 및 정책 정보

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​전기화학 CO2 환원 반응(CO2RR)은 CO2를 재생 가능한 연료와 공업 화학 제품으로 전환시킬 수 있는 동시에 인공 탄소 순환의 관건적인 단계로 활용할 것으로 권장하고 있음. 합리적인 전기촉매 소재와 실험 조건에 대한 조정을 통해 다양한 환원 생성물 속에서 포름산(formic acid)은 상업적으로 제일 가능한 제품 중의 하나로 여겨져 왔으며, Pd는 놀라운 독특성을 보유하고 있으며 0에 가까운 과 전위와 이상적인 선택성으로 인해 포름산 염 을 생성할 수 있는 상황이지만, 부작용 반응 중간체의 CO 중독성으로 인해 안정성은 일반적으로 큰 한계가 있음.

홍콩 이공(理工) 대학교의 Bolong Huang 교수 연구팀은 수저우(蘇州, 소주) 대학교의 리옌광(李彦光, 이언광) 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 Pd와 Ag의 1차원 합금 나노와이어가 CO2RR 전기 촉매 속에서의 응용 잠재력에 대한 연구를 수행함. 최초로 합금화 Pd-Ag 나노와이어는 초(超) 안정적인 이산화탄소를 포름산 염으로 환원시킬 수 있다는 점을 최초로 입증함.

연구팀은 관련 합금 나노와이어는 0.1m의 KHCO3 속에서 CO2RR에 대해 포름산을 생성시켜 이상적인 전기 촉매 성능을 보유할 수 있도록 함. Pd4Ag 나노와이어는 반응으로 하여금 제로의 과 전위 하에서 진행될 수 있도록 하였으며, -0.3V 전까지 포름산염 선택성(>90%)을 유지할 수 있도록 한다는 점을 입증함.

연구팀은 분말 XDR를 이용하여 최종적으로 생성되는 결정체 구조를 분석함. Pd4Ag는 면심(面心) 입방 구조의 전형적인 회절 신호를 나타내며, 단일 피크는 순수 Pd와 Ag의 피크 사이에 있지만 상대적으로 Pd에 더욱 접근하는 것으로 나타남. 이는 웨이가드의 법칙에 따라 풍부한 Pd 합금을 형성한다는 점을 입증하였으며, 투과전자현미경(TEM)과 스캐너 투과전자현미경(STEM)을 통해 Pd4Ag는 주로 1D 나노와이어(평균 지름은 5-6나노에 달하고, 길이는 몇 백 나노에 달함)와 작은 부분의 나노입자로 구성된다는 점을 발견하였음.

또한, 수차 교정(Aberration correction)의 대 각도 링 어두운 필드(HAADF) STEM을 사용한 정밀 검사를 통해 선명한 (111)과 (200) 격자무늬를 발견함. 나노와이어 표면은 원자 레벨의 매끄러운 상태가 아니라 (111), (200), (211)과 (311)을 포함한 결정면 혼합물로 구성되며, 이런 결정면은 결정체 방향에 따라 확정된다는 흥미로운 점을 발견함.

연구팀은 합금 나노와이어가 표준 수소 전지 속에서 나타내는 전기 촉매 성능에 대한 연구를 수행한 동시에 순수 Pd 나노와이에 대한 비교 분석을 하였으며, 관련 연구결과와 분석 결과에 근거하여 일단 작동 전위가 –0.1V에 접근하거는 –0.1V를 초월하게 되면 순수 Pd의 시간 측정 전류(I–t) 곡선이 떨어지기 시작하며, 이에 비해 Pd4Ag 나노와이어의 시간 측정 전류 곡선은 - 0.44볼트 하에서도 활성이 없어지지 않는다는 점을 발견하였음.

이번 연구를 통해 Pd와 Ag 사이의 합금화 효과는 CO2RR로 하여금 포름산 염 생성을 추진하게끔 한다는 상황에 대한 탐색 및 입증 작업을 수행하였으며, -0.4V보다 작은 상황 하에서도 우수한 장기 안정성을 측정할 수 있다는 점을 입증한 동시에 이런 안정성은 합금 나노와이어 상의 CO 내구성과 선택적 안정에서 비롯된다는 결론을 도출함. 이런 결론은 상세한 전기 화학 표면 특징 분석과 이론 계산 결과를 통해서도 한층 더 입증된 상황임.

본 연구 성과는 Advanced Materials ("Alloyed Palladium–Silver Nanowires Enabling Ultrastable Carbon Dioxide Reduction to Formate")에 게재됨.