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신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 탄소중립 달성을 위한 이산화탄소 분해기술 개발 2024.03.22
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신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 탄소중립 달성을 위한 이산화탄소 분해기술 개발

- 이산화탄소 분해하여 재활용이 가능한 신재생 에너지원 생산

- 에너지 분야 국제학술지, 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 3월호 표지논문 선정


▲ (왼쪽부터) 조형균 교수, 김동수 박사, 오신영 연구원, 이학현 연구원


신소재공학부 조형균 교수 연구팀(김동수 박사, 오신영, 이학현 연구원)이 온실가스의 주범인 이산화탄소를 광전극과 나노입자 촉매 융합연구를 통하여 고부가가치 화합물로 제조할 수 있는 친환경 신재생 에너지 기술을 개발했다.


이산화탄소의 분해를 위해서는 외부로부터 많은 에너지가 요구되는데 광전기화학적 이산화탄소(CO2) 분해는 태양광을 활용하여 이산화탄소로부터 신재생 에너지원을 생성하는 기술로 친환경적인 미래 기술이다.


연구팀은 원자단위의 선택적 광환원 촉매 기술력을 반도체 광전극에 융합하여 장시간 안정성과 높은 광전류를 동시에 얻어 탄소중립 달성 및 이산화탄소 분해 상용화의 가능성을 확인하였다. 무한한 청정에너지인 태양광을 활용하여 이산화탄소 분해에 필요한 에너지를 최소화하며 동시에 95% 이상 일산화탄소로(CO) 전환하는 촉매 기술을 개발했다. 이는 현재까지 논문으로 보고된 수치 중 가장 높은 결과값이다.

▲ 광전극과 금속나노 촉매의 전기화학적 결합의 효과를 통해 광전류 240% 향상 및 이산화탄소(CO2)를 일산화탄소(CO)로 분해


대기 중 온실가스를 제거함과 동시에 미래 청정 에너지원으로 각광받고 있는 일산화탄소(CO), 에탄올(C2H6O), 메탄올(CH3OH), 개미산(HCOOH) 등의 합성에 필요한 이산화탄소 분해 반응은 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술이지만 이산화탄소 분자는 화학적으로 높은 안정성을 지녀 유용한 화학 물질로의 전환은 여전히 큰 난제로 여겨지고 있다.


연구팀이 개발한 광전기화학적 이산화탄소 전환 및 분해 기술은 태양광과 전기를 활용해 온실가스인 이산화탄소를 재활용 가능한 신재생 에너지원인 탄소화합물로 바꾸는 기술이다. 이 기술은 지구온난화를 일으키는 온실가스의 감축을 위한 수단으로 최근 많은 주목을 받고 있다. 또한, 일산화탄소는 초산, 플라스틱을 비롯한 다양한 화학물질을 생산할 수 있으며, 합성 연료유, 메탄올과 같은 대체에너지원을 생산하는 데 필요한 원료 물질이다.


이산화탄소 광전기화학적 전환은 광흡수층과 촉매의 결합이 중요하다. 광전기화학 전환에 높은 활성을 보이는 금, 백금, 은과 같은 귀금속 촉매는 전환 비용이 높아 기술적 비용 절감에 한계를 겪고 있다. 따라서, 기존 귀금속 촉매 물질에서 저비용 촉매로의 변화와 이산화탄소 전환 반응에 필요한 에너지원을 태양광으로 유도할 수 있는 적합한 반도체 광전극 및 시스템 개발이 필요한 실정이다.

▲ 가) 광흡수층 반도체 및 나노촉매 개요도와 구조,

나) 주사전자현미경 및 투과전자현미경을 통한 나노크기 촉매분석


연구팀은 저비용의 나노입자 구리(Cu) 촉매를 산화물 반도체(Cu2O) 흡수층으로부터 전기화학적 성장하여 촉매와 흡수층 사이 흡착력 증가 및 계면저항 감소에 대한 시너지 효과를 발생시켜 이산화탄소 분해에 사용되는 과전압을 줄임과 동시에 이산화탄소 분자를 보다 효과적으로 분해하여 95% 이상 일산화탄소로 전환하는 촉매 기술을 개발했다.


이에 연구팀은 산화구리(Cu2O) 흡수층의 본질적인 광환원 반응을 이용하여 제조된 나노입자 구리 촉매로 효율적인 이산화탄소 환원을 대면적, 저비용으로 가능하게 하는 혁신적인 2단계 촉매 생성 전략을 제안하였다. 이 접근법은 ▲물리적으로 밀도 높게 분산된 구리 나노입자의 성장과 ▲전기화학 구리 클러스터 촉매의 전기화학 결합으로 인하여 효과적으로 이산화탄소 분해를 달성하였다. 광흡수층(Cu2O)과 구리 촉매의 결합은 광부식 억제와 함께 0VRHE에서 -1.2mA/cm2의 광전류 성능을 보여주며 고순도 일산화탄소 생성물을 생성할 수 있다.

▲ 나노 구리(Cu) 촉매 와 산화물 반도체(Cu2O)가 전기화학 결합된 광전극

(가) 태양에너지를 통해 인가 에너지가 절약된 광전기화학 이산화탄소 분해 및 장시간 안정성

(나) 태양에너지 없이 전기화학 이산화탄소 분해


조형균 교수 연구팀의 김동수 박사는 “무한한 태양광을 통해 지구온난화를 막아낼 이산화탄소 분해 촉매 형성의 새로운 발견이며, 고효율 이산화탄소 광전기화학 분해 연구의 초석이 될 것”이라며 “가장 시급한 글로벌 이슈인 탄소중립과 지속가능한 에너지원 발견에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.


본 연구는 과학기술정보통신부 “광전기화학반응의 이론적 한계를 초월한 신개념 소재/공정/구동 모델 연구(Design of novel material/process/operation capable of exceeding theoretical limitations of the photoelectrochemical reaction”(No.2021R1A2C3011870)의 지원을 받아 수행되었으며, 화학물리(CHEMISTRY, PHYSICAL) 분야 상위 3.09% 이내의 세계적인 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 27.8)에 지난 1월 9일 온라인 게재 및 3월호 표지를 장식했다.


※ 논문제목: Harmonized Physical and Electrochemical Process Design for Densely Dispersed Cu Catalysts on Cu2O Absorbers for Efficient Photoelectrochemical CO2 Reduction Reaction

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