나노기술 및 정책 정보

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중국과학기술대학교 가오민루이(高敏銳) 교수 연구팀은 위수훙(兪書宏) 원사(院士) 연구팀과 공동 연구를 실행하고, 나노 사이즈 "농축 효과" 증강이 가능한 이산화탄소 전기 환원 성능을 보유한 고 효율 촉매를 개발하고, 유동 전기 분해 풀(pool)에 대한 합리적인 디자인과 결합하여 이산화탄소에서 목표 생성물에 이르기까지의 고 선택성 전환을 실현하는데 성공함.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 나노 핀의 "주변 효과"가 이산화탄소 환원 과정을 추진한다는 점을 발견하였으며, 스마트 마이크로파 반응 장치의 대용량 선별을 통해 황화카드뮴 나노 핀 배열 구조를 구축하였음. 유동 전기 분해 풀에 대한 측정 테스트를 통해 이런 구조는 95.5%에 달하는 일산화탄소 패러데이 효율(Faraday efficiency)과 212mA cm-2의 부분 전류 밀도를 실현할 수 있다는 점을 입증함.

연구팀은 간단한 마이크로파 열 합성을 사용하고 반응 매개 변수에 대한 조절을 통해 세 가지 다양한 첨단 곡률 반지름(radius of tip curvature)을 보유하고 있는 황화카드뮴 나노 구조를 구축하였으며, 유한원 시뮬레이션(finite element simulation)을 통해 이런 반도체 소재의 첨단 곡률 반지름 감소는 첨단 부근의 전기 필드 강도를 증가시켜 칼륨 이온이 전극 부근에 대량 집중되도록 하는 특징을 강화시킨다는 점을 발견하였으며, 다양한 바늘 끝(Needle tip) 구조를 보유한 황화카드뮴은 바늘 끝 간의 거리가 점차 감소됨에 따라 칼륨 이온을 대량 집중시키게끔 하는 특징을 지속적으로 강화시킨다는 점을 발견하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 나노 공동의 "제한 구역 효과"를 이용하여 반응 중간체를 대량 집중시켜 이산화탄소에서 다양한 탄소 연료로의 효율적인 전환을 실현한 동시에 다공성, 솔리드와 파쇄형 세 가지 산화 서브 구리 나노 구조를 합성하는데 성공하였으며, 유한원 시뮬레이션(finite element simulation)을 통해 다공성 산화 서브 구리가 생성시킨 C2+ 생성물과 C1 생성물 패러데이 효율(Faraday efficiency) 비례는 6.4 수준에 도달하여 각각 솔리드 산화 서브 구리와 파쇄 산화 서브 구리의 8배와 7배 수준에 도달한다는 점을 발견하였음.

연구팀은 원 위치 라만과 싱크로트론 방사 X-레이 흡수 표면 특징 분석을 통해 이산화탄소 환원 과정 중 제한 구역의 반응 중간체(흡착된 CO 등)는 반응 과정 중에서 1원자가 구리 활성 위치의 환원을 억제하여 이산화탄소에서 C2+ 생성물로의 효율적인 전환을 실현한다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 이산화탄소 전기 환원 반응 속에서 촉매 나노 구조 디자인은 촉매 성능에 대해 중요한 영향을 끼치며, 나노 사이즈의 "농축 효과"는 관건적인 중간체 흡착을 증강시켜 반응의 효율적인 운행을 추진한다는 점을 입증하였음.

연구팀이 이번 연구에서 제시한 새로운 디자인 개념은 향후 관련 전기 촉매 디자인과 고부가가치 탄소 베이스 연료 합성을 위해 새로운 아이디어를 제공하고 있음.

본 연구 성과는 ‘Angew. Chem. Int. Ed.’ ("High-Curvature Transition-Metal Chalcogenide Nanostructures with a Pronounced Proximity Effect Enable Fast and Selective CO2 Electroreduction")지에 게재됨.