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신소재공학부 이지훈 교수팀, 이산화탄소 전환 효율 높일 수 있는 단일원자촉매 소재 핵심 설계 기술 제시
- 2022-08-29 17:50
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신소재공학부 이지훈 교수팀이 이산화탄소 전환 효율을 높일 수 있는 단일원자촉매의 핵심 설계 기술을 제시했다.
온실가스인 이산화탄소를 일산화탄소·개미산·탄화수소 등 유용한 화합물로 전환하는 것은 원료 생산과 더불어 탄소 저감으로 탄소중립을 실현할 수 있다. 이를 위한 촉매 소재 개발은 전환 효율을 결정짓는 중요한 요소 중 하나다.
단일원자촉매(Single-atom catalyst)는 원자 수준으로 분산된 촉매 활성자리를 가지는 소재로, 다양한 불균질 촉매 반응에 높은 활성을 보여 큰 각광을 받고 있다. 최근에는 전기화학적 이산화탄소 환원 반응을 통해 부가가치가 높은 케미컬을 생산할 수 있는 다양한 고효율·고활성 단일원자촉매들이 보고되고 있다.
하지만, 원자 수준으로 촉매를 분산시키는 과정에서 꼭 필요한 고온 합성 과정 및 산 세척과정에서 생긴 구조적 비균질성(Inhomogeniety)으로 인해 촉매 활성자리의 이산화탄소 환원 반응 과정에 대한 정확한 이해가 부족해 새로운 촉매 소재 설계에 어려움이 있다.
이 교수팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 금속원자가 네 개의 질소원자와 공유결합을 통해 원자 수준으로 분산된 프탈로시아닌(Phthalocyanine) 분자 촉매를 전기화학적 이산화탄소 환원 반응에 적용했다. 높은 결정성을 갖는 프탈로시아닌 분자에 다양한 금속원자를 도입·치환이 가능해 동등한 환경에 놓여있는 다양한 금속원자들의 반응 활성과 반응물 분포를 명확하게 비교할 수 있다는 점을 주목했다.
그 결과, 코발트-프탈로시아닌 분자촉매가 최적화된 반응흡착에너지를 통해 가장 효율적으로 일산화탄소를 생산한다는 것을 밝혀냈다. 이는 기존의 알려진 단일원자촉매의 활성 경향과 상이한 결과로, 코발트 원자가 네 개의 질소 원자와 공유결합을 통해 완벽한 단일원자 환경에 놓이게 되면 이산화탄소 환원 활성이 매우 높아질 수 있음을 제시하는 것이다.
이지훈 교수는 “원자 수준으로 명확하게 제어된 단일원자촉매 소재 설계에 대한 아이디어를 제시했다는 점과 귀금속을 사용하지 않고 가격 경쟁력이 우수한 촉매 소재를 제시한 점에서 향후 전기화학적 이산화탄소 저감 공정 연구에 크게 기여할 것으로 기대한다.”라고 설명했다.
연구 결과는 화학 분야의 최고 권위지인 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society) 8월 25일자에 게재됐다.
이번 연구는 한국연구재단의 생애 첫 연구 및 신진연구자지원사업의 지원을 통해 수행됐다.
온실가스인 이산화탄소를 일산화탄소·개미산·탄화수소 등 유용한 화합물로 전환하는 것은 원료 생산과 더불어 탄소 저감으로 탄소중립을 실현할 수 있다. 이를 위한 촉매 소재 개발은 전환 효율을 결정짓는 중요한 요소 중 하나다.
단일원자촉매(Single-atom catalyst)는 원자 수준으로 분산된 촉매 활성자리를 가지는 소재로, 다양한 불균질 촉매 반응에 높은 활성을 보여 큰 각광을 받고 있다. 최근에는 전기화학적 이산화탄소 환원 반응을 통해 부가가치가 높은 케미컬을 생산할 수 있는 다양한 고효율·고활성 단일원자촉매들이 보고되고 있다.
하지만, 원자 수준으로 촉매를 분산시키는 과정에서 꼭 필요한 고온 합성 과정 및 산 세척과정에서 생긴 구조적 비균질성(Inhomogeniety)으로 인해 촉매 활성자리의 이산화탄소 환원 반응 과정에 대한 정확한 이해가 부족해 새로운 촉매 소재 설계에 어려움이 있다.
이 교수팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 금속원자가 네 개의 질소원자와 공유결합을 통해 원자 수준으로 분산된 프탈로시아닌(Phthalocyanine) 분자 촉매를 전기화학적 이산화탄소 환원 반응에 적용했다. 높은 결정성을 갖는 프탈로시아닌 분자에 다양한 금속원자를 도입·치환이 가능해 동등한 환경에 놓여있는 다양한 금속원자들의 반응 활성과 반응물 분포를 명확하게 비교할 수 있다는 점을 주목했다.
그 결과, 코발트-프탈로시아닌 분자촉매가 최적화된 반응흡착에너지를 통해 가장 효율적으로 일산화탄소를 생산한다는 것을 밝혀냈다. 이는 기존의 알려진 단일원자촉매의 활성 경향과 상이한 결과로, 코발트 원자가 네 개의 질소 원자와 공유결합을 통해 완벽한 단일원자 환경에 놓이게 되면 이산화탄소 환원 활성이 매우 높아질 수 있음을 제시하는 것이다.
이지훈 교수는 “원자 수준으로 명확하게 제어된 단일원자촉매 소재 설계에 대한 아이디어를 제시했다는 점과 귀금속을 사용하지 않고 가격 경쟁력이 우수한 촉매 소재를 제시한 점에서 향후 전기화학적 이산화탄소 저감 공정 연구에 크게 기여할 것으로 기대한다.”라고 설명했다.
연구 결과는 화학 분야의 최고 권위지인 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society) 8월 25일자에 게재됐다.
이번 연구는 한국연구재단의 생애 첫 연구 및 신진연구자지원사업의 지원을 통해 수행됐다.
