성균관대 백정민 교수 연구팀, 이산화탄소 활용 에탄올 생산 전기화학촉매 개발
- 구리-도파민 복합체 및 수열합성기술을 활용한 고효율 촉매 개발
- 국제적 학술지 Applied Catalysis B: Environment and Energy 게재

□ 성균관대학교(총장 유지범) 신소재공학부의 백정민 교수 연구팀과 최재영 교수 그리고 한국과학기술연구원의 오형석 박사, 이동기 박사 연구팀이 이산화탄소를 이용하여 에탄올을 생산하는데 있어서 낮은 전압에서 높은 패러데이 효율을 보이는 전기화학 촉매를 개발하였다.

□ 전기화학적 이산화탄소 환원반응(CO2 RR)은 다른 고온에서의 비균일 촉매반응과 비교하여 수액상에서 이산화탄소를 연료로 변환하는 이점을 갖고 있는데 이를 통해 에탄올 및 아세테이트 등 경제적 가치가 높은 제품을 생산할 수 있다. 특히, e-에탄올은 친환경적이고 지속 가능한 연료 솔루션으로 주목받고 있어 향후 폭발적인 수요 증가가 예상되며, CO2 배출의 감소 효과도 크다. 하지만 다양한 촉매 개발에도 불구하고 C-C 결합에 대한 높은 에너지 장벽과 에틸렌에 대한 높은 선택성 등으로 인해 낮은 패러데이 효율을 보이며 Cu 소재의 불안정성으로 인해 내구성 또한 낮았다.

□ 백정민 교수 연구팀은 이러한 한계를 돌파하고자 구리-아민(Cu-도파민) 복합체와 저온(160℃) 수열합성 전략을 이용하여 카본 양자점에 원자 단위로 분산된 독립 구리 원자를 함유하는 촉매를 합성하는 방법을 개발하였고 낮은 전압(0.2V)에서 높은 패러데이 효율(>80%)과 안정성을 보여주었다.

□ 특히, 일반적으로 Cu 금속과 유기 전구체를 혼합한 후 400~1,000℃의 고온 탄화 공정을 거치는데 반해, 이 촉매는 160℃의 낮은 온도에서 합성되어 가격 경쟁력이 매우 우수하며 촉매 내의 금속 고정 리간드를 안정화시키는 새로운 전략으로 기존 촉매보다 높은 Cu 함량 (>1.74 wt.%)을 얻을 수 있었다.

□ 성균관대 백정민 교수는 “다양한 금속 및 카본 전구체를 활용하여 안정적으로 에탄올 생산량을 증가시키는 연구를 진행하고, 향후 실증 실험을 통해 그 적용 가능성을 점검할 예정”이라고 밝혔다.

□ 연구팀의 이번 연구 결과는 Applied Catalysis B: Environment and Energy (IF: 22.1)에 발표되었으며, 2023년 선정된 한국연구재단 미래융합파이오니어 사업의 지원을 받아 수행되었다.

※ 논문명: Highly selective and low-overpotential electrocatalytic CO2 reduction to ethanol by Cu-single atoms decorated N-doped carbon dots
※ 논문링크: doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.123694

3월 4일 월요일자 보도자료 - 첨부파일 참조