나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 푸졘(福建) 물질 구조 연구소 산하 "구조 화학 국가 중점 실험실" 차오룽(曹榮), 황위안뱌오(黃遠標) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 MOFs에서 파생되는 탄소 나노튜브 촉매의 전기환원 이산화탄소 연구에서 혁신 성과를 취득하여 이슈가 되고 있음.

최근 년 간 재생 가능한 자원 사용을 통해 생성되는 전력(電力)은 공기 속에 고 농도의 이산화탄소 전기환원(CO2RR)을 통한 고부가가치의 화학품을 파생시키는데 이런 방법은 탄소-에너지 균형을 실현하는 효과적인 방법이 되고 있지만 불활성(Inertness) 이산화탄소(C=O, 806 kJ·mol-1)와 수소 방출(HER) 경쟁 반응을 통한 오버퍼텐셜(Overpotential)이 높고 선택성이 떨어지고 전류밀도가 낮은 등 문제점을 발생시키게 됨.

효율적이고 안정적인 CO2RR 전기촉매는 매우 중요한 상황이며, 다공성 탄소 나노튜브 탑재 체는 큰 비표면적, 튜브 형식의 구조, 강한 전기 전도성을 보유하고 있기 때문에 금속 활성 위치 점을 충분히 노출시킬 뿐만 아니라 전해질과 이산화탄소 확산을 추진할 수 있으며 촉매 활성을 향상시킬 수 있음.

연구팀은 산화아연/금속-유기 프레임워크(ZnO@ZIF-ZnNi) 코어 쉘 나노 막대를 전구체와 템플릿으로 사용하고, 탄화(炭化)를 거쳐 질소 도핑이 된 탄소 나노튜브 상에 균일하게 분산된 Ni 단일 원자 촉매(Ni/NCTs)를 개발하였음.

일반적인 Ni/C 촉매에 비해 연구팀이 개발한 Ni/NCTs 전기촉매는 우수한 CO2RR 촉매 성능을 보유하고 있는 것으로 나타났으며, 연구팀은 이번 연구를 통해 한 개 비교적 넓은 퍼텐셜 윈도우 하에서 이산화탄소는 100%에 접근하는 패러데이 효율(Faraday efficiency)(-0.8 V vs RHE 98%)을 통해 일산화탄소(CO)로 전환하게 된다는 점을 발견하였음.

연구팀이 개발한 Ni/NCTs 촉매는 20시간의 연속적인 전기분해를 거친 후 반응 활성이 뚜렷이 쇠퇴되지 않는 동시에 대부분의 문헌에서 보도된 탄소에 의해서만 이산화탄소가 생성된다는 점과는 달리 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 동위원소를 이용하여 추적연구를 실행하고 관련 실험을 통해 일산화탄소는 이산화탄소와 전해질 속의 HCO3- 속에서 생성된다는 점을 발견하였으며, 연구팀은 DFT 계산을 통해 *COOH는 CO2RR를 형성하는 신속한 단계가 된다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 다공성 탄소 상에서의 단일 원자 촉매를 에너지 저장과 전환에 사용할 수 있는 과학적 근거를 제공하여 그 의미가 주목됨.

본 연구 성과는 ‘Applied Catalysis B: Environmental’ ("Atomically dispersed Ni species on N-doped carbon nanotubes for electroreduction of CO2 with nearly 100% CO selectivity")지에 게재됨.