나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 금속 연구소 산하 "선양(瀋陽) 재료과학 국가 연구센터" 소속 "에너지 촉매 재료 연구팀"은 최근 관련 연구를 통해 탄소 촉매 반응 과정과 새로운 탄소 촉매 반응 체계에 대한 연구개발을 실행한 동시에 나노 탄소 소재를 이용한 효율적인 촉매 과산화수소 전기 합성 분야에서 혁신 성과를 취득하여 이슈가 되고 있음.

연구팀은 이번 연구를 통해 관련 전형적인 탄소 소재 표면 화학 구조와 촉매 산소 전기화학 환원을 통해 생성시킨 과산화수소의 반응 활성을 발견하였으며, 2전자 산소 환원 반응의 선택성과 탄소 소재 표면의 카르보닐기와 카르복실기 함유량이 선형 정비례 관계를 나타내며, 카르복실기의 본질 특징 활성은 카르보닐기 기능 그룹의 5배 이상에 달한다는 점을 발견하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 탄소 소재 표면의 카르복실기 기능 그룹은 산소 전기화학 환원을 통해 과산화수소를 제조하는데 있어서의 주요 활성 중심이 되고 있다는 점을 발견하였으며, 연구팀은 탄소 촉매 산소 전기화학 환원 반응 활성 중심과 반응 동력학에 대한 연구를 통해 산소 환원 반응의 선택성은 주로 과산화수소와 카르복실기 기능 그룹 간의 결합 능력에 의해 결정된다는 점을 입증하였음.

탄소 소재 표면의 카르복실기 활성 위치 점에서의 2전자 산소 환원 과정에서 생성되는 과산화수소에 대해 제때에 탈착을 실행하지 못하게 될 경우 극히 쉽게 한층 더 환원되고 4전자 반응을 통해 물을 생성시키게 되기 때문에 "어떻게 하면 과산화수소가 활성 중심에서 제때에 탈착될 수 있도록 할 것인가"라는 과제의 해결은 선택성과 생성 비율을 향상시킬 수 있게끔 하는데 있어서의 관건이 되고 있음.

연구팀은 인터페이스 공정 수단과 반응 동력학을 이용하여 탄소 촉매 전기화학 산소 환원 반응 선택성에 대한 연구를 실행하였으며, 양이온 표면 활성제와 카르복실기 기능그룹의 정전기 상호 역할을 이용하여 탄소 소재 표면 카르복실기 기능그룹과 2전자 산소 환원 생성물인 HO2-의 상호 역할을 감소시키고, 한층 더 환원되는 과정을 차단하여 과산화수소에 대한 높은 선택성 전기 합성 과정을 실현하였음.

이런 탄소/표면 활성제 복합 촉매 소재 체계는 현재 이미 보도된 문헌 중에서 제일 높은 과산화수소 선택성(＞96%), 제일 넓은 과 전위 창(overpotential window)(＞0.8V), 높은 안정성(＞10h)을 보유하고 있는 것으로 나타났으며, 나노 탄소/표면 활성제에 기반 하는 복합 전극 소재는 과산화수소 전기 합성 반응 과정에서 우수한 촉매 성능을 나타내며, 전체 반응 체계는 에너지 소모가 적고, 환경 친화적이며, 지속 가능하고, 안정적인 특징을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

연구팀이 이번 연구를 통해 취득한 성과는 높은 생산성, 높은 안정성과 낮은 원가 특징을 보유하고 있는 동시에 실제 응용 전망을 보유하고 있는 과산화수소 화합물 체계에 대한 전기 합성을 추진하는 면에서 중요한 의미를 보유하고 있음.

본 연구 성과는 ‘Journal of Colloid and Interface Science’ ("Oxygen reduction to hydrogen peroxide on oxidized nanocarbon: Identification and quantification of active sites")지에 게재됨.