출처: 기계신문
링크: https://www.mtnews.net/news/articleView.html?idxno=25245
요약: 이산화탄소를 전기로 반응시켜 일산화탄소, 에틸렌 등 기초 산업원료로 전환하는 이산화탄소 환원 기술의 효율을 높이는 구리 촉매의 새로운 작동 원리가 규명되었다. 구리 촉매 내부에 유입된 전해질 나트륨 이온 불순물이 촉매의 고활성 부위를 안정화해 이산화탄소 전환 성능을 높니는 메커니즘을 밝혀냈다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 미래소재원천기술개발 사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 촉매 분야 국제 학술지 ‘네이처 카탈리시스’에 게재되었다. 전기화학적 이산화탄소 환원반응은 온실가스 저감과 탄소중립, 재생에너지 저장을 동시에 실현 할 수 있는 차세대 기술이다. 구리는 이산화탄소를 에틸렌이나 에탄올 등 다탄소 화합물로 전환할 수 있는 대표적인 금속 촉매이다. 특히 산화구리를 전기화학적으로 환원하여 제조한 산화물 유래 구리 촉매는 일반 금속 구리애 비해 높은 환원 활성을 보여주며 주목받었지만, 제조 및 반응 과정애서 상전이, 결함, 결정립계 형성 등 복잡한 구조 변화를 겪어 높은 촉매 성능의 정확한 원인을 주고 오랫동안 논쟁이 이어져왔다. 연구팀은 촉매 자체뿐만 아니라 전해질 이온의 역할에 주목하여 고성능의 원인을 찾아냈다. 단순한 불순물로 취급되던 촉매 내부의 전해질 유래 나트륨 이온이 촉매의 중요한 황성점을 안정화 시키는 숨은 조력자라는 사실을 밝혀냈다. 이는 순수한 촐에 소량의 탄소를 넣어 강철을 만들거나, 실리콘 반도체 미량 원소를 주입해 전기적 성질을 조절하는 재려과학 원리와 유사한 현상이다. 연구팀이 나트륨 이온을 배제한 대조군 촉매를 제작하여 비교 실험을 진행한 결과, 구조적 특성이 유사함에도 불구하고 나트륨 이온이 없는 촉매는 이산화탄소 환원 가능성이 크게 저하되어 나트륨 이온의 역할을 뒷받침했다. 이번 연구로 기존에 결정립계, 잔류 산소종, 부분 산화 구리 등 개별적으로 제시된 고성능 원인들이 촉매 내부로 유입된 나트륨 이온에 의한 활성 구리종 안정화 과정과 긴밀하게 연결되어있음을 원자 수준에서 통합적으로 규명했다는 점에서 의미가 매우 크다. 이는 고성능 전기 촉매를 설계할때 촉매 소재 자체의 개선을 넘어 전해질 이온과 구동 전압 조건까지 종합적으로 고려해야 한다는 새로운 패러다임을 제시한다.
한줄 요약: 촉매에 침투한 나트륨 이온의 활성점 안정화 역할을 원자수준에서 규명했다.