‘골칫거리’ 금속불순물로 인공광합성 촉매 성능 ‘UP’
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‘골칫거리’ 금속불순물로 인공광합성 촉매 성능 ‘UP’
  • 최경주 기자
  • 승인 2019.10.08 14:43
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CO₂→CO 변환시 물속 극미량 금속불순물로 귀금속 촉매 성능 저하
KIST, 질소 도입된 탄소소재 촉매 전극 사용…CO 생성 성능 80% ↑
기존 시스템 비활성화 모식도(위)와 질소가 도핑된 탄소 촉매를 활용한 자가활성화 모식도(아래). KIST 제공

이산화탄소(CO₂)에서 일산화탄소(CO)를 생산하는 인공광합성 과정에서 물속의 금속 불순물을 이용해 일산화탄소 생성 성능을 높이는 기술이 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 민병권 국가기반기술연구본부장, 황윤정·김찬연 박사 연구팀이 그동안 인공광합성 촉매의 성능을 떨어뜨리는 오염원으로 여겨졌던 수용액 내 금속 불순물을 이산화탄소 전환 촉매로 바꾸는 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

지구 온난화 주범인 이산화탄소를 전기화학적 방법으로 일산화탄소로 전환하는 기술은 인공광합성의 주요 연구분야 중 하나다. 이때 대부분 촉매는 금이나 은 같은 귀금속을 쓰는데, 귀금속 촉매는 물 속에 아주 작은 양의 금속 불순물만 있어도 불순물이 흡착되면서 촉매 성능을 급격히 떨어뜨린다. 이를테면 물 속에 0.05ppm(백만분의 일) 수준의 극미량 철 이온 불순물 때문에 1시간만에 촉매 성능이 80% 이상이 줄어들기도 한다.

연구진은 촉매 안정성을 떨어뜨리는 수용액 내 금속 불순물을 오히려 촉매 성능을 높이도록 이용하는 기술을 도입했다. 연구진은 질소가 도입된 탄소 소재를 촉매 전극으로 사용했다. 탄소에 결합한 질소 원자 사이에 금속 불순물인 철 이온이 안정적으로 자리잡을 수 있는 분자구조를 가지고 있다. 전극에서는 반응 도중 물속에 존재하는 금속 불순물 이온들이 질소가 첨가된 탄소 소재와 결합하면 일산화탄소 생성 성능을 더욱 높였다.

연구팀은 일반적인 수돗물에 함유된 철 이온 농도인 0.05ppm보다 50배의 진한 농도에서도 기존 촉매 대비 최대 80% 이상 높아진 성능으로 120시간 이상 안정적으로 일산화탄소를 생산하는 데 성공했다.

민병권 본부장은 “개발된 저렴하고 안정적인 탄소 소재 촉매는 앞으로 인공광합성이나 이산화탄소 자원화 기술의 실용화를 앞당기는데 활용될 수 있다”고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 세계적 학술지 ‘ACS 에너지 레터스’(ACS Energy Letters) 최신호에 실렸다.


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