Highlight

Intro 우리 대학 신소재공학과 전석우 교수와 오지훈 교수 연구팀이 이산화탄소 전기화학 환원 반응 시 발생하는 물질이동의 한계를 극복하여 값 비싼 금 촉매의 사용을 효과적으로 줄일 수 있는 3차원의 계층 나노구조 촉매를 개발했다.

본 연구에서 제안 된 계층 나노구조는 이산화탄소 환원 촉매 연구 뿐만 아니라 유사 전기화학 분야에서 발생하는 물질이동 문제를 해결하고 효율적인 촉매활용을 위한 폭넓은 응용이 가능할 것으로 기대된다.

현가예 박사과정 학생과 송준태 교수가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA)’ 3월 4일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Hierarchically Porous Au Nanostructures with Interconnected Channels for Efficient Mass Transport in Electrocatalytic CO2 Reduction) 
Principal Investigator Prof. Seokwoo Jeon and Prof. Jihun Oh 
Date 2020-03-09 

 

전석우 교수, 현가예 박사과정, 오지훈 교수.png

<전석우 교수, 현가예 박사과정, 오지훈 교수>

 

우리 대학 신소재공학과 전석우 교수와 오지훈 교수 연구팀이 이산화탄소 전기화학 환원 반응 시 발생하는 물질이동의 한계를 극복하여 값 비싼 금 촉매의 사용을 효과적으로 줄일 수 있는 3차원 나노구조 촉매를 개발했다.

 

전석우 교수 그리고 오지훈 교수가 교신 저자로, 현가예 박사과정 학생과 송준태 교수가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 저명한 국제 학술지 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA)’ 34일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Hierarchically Porous Au Nanostructures with Interconnected Channels for Efficient Mass Transport in Electrocatalytic CO2 Reduction)

 

해당 연구진들은 두 가지 크기의 기공 네트워크를 지닌 계층 다공성 나노구조를 이용하여 이산화탄소에서 일산화탄소로의 전환율을 기존 나노구조 촉매 대비 최대 3.96 배 향상시킬 수 있는 촉매 디자인을 제시하였다.

 

최근 화석 연료의 고갈 및 완전 연소에 따라 배출되는 이산화탄소를 보다 유용한 화합물로 전환하고자 하는 연구가 많은 관심을 받고 있으며, 나노구조 제작 기술의 발달로 복잡한 나노구조 촉매를 활용하여 반응의 선택도를 효과적으로 높이는 연구가 다수 이루어졌다.

 

그러나 반응 생성물인 일산화탄소의 기포가 구조 내부에 막히는 현상으로 인해 활성 부위가 차단되므로 효율적인 전환율을 동시에 달성하는 데에는 어려움이 있었다. 특히 일산화탄소로의 변환 반응에서 가장 우수한 특성을 보이는 금 촉매의 실생활 적용을 위해서는 경제성 확보를 위해 값 비싼 촉매의 양을 줄이면서 선택도와 전환율을 효과적으로 증대할 수 있는 방안이 필연적이다.

 

본 연구에서는 이산화탄소 환원 반응에 중요한 선택도와 전환율을 동시에 향상시킬 수 있도록 두 가지 크기의 기공 네트워크를 지닌 3차원 계층 다공성 금 나노구조를 제작하였다. 10나노미터 크기의 나노기공은 촉매 활성이 우수한 반응 면적을 극대화 하여 선택도를 높이는 역할을 하고, 200-300나노미터 크기의 주기적으로 배열된 매크로기공 채널은 반응 생성물인 일산화탄소 기포를 효과적으로 배출시키고 신선한 전해질의 공급을 유도함으로써 전환율을 극대화시킬 수 있었다. 또한 기공의 크기와 분포 조절을 통해 전기화학 반응에서 각 기공 네트워크의 역할을 면밀히 분석하여 모델 스터디로써 의미 있는 연구를 수행하였다.

 

전석우 교수는 제안 된 계층 다공성 나노구조 디자인은 이산화탄소 환원 촉매 뿐만 아니라, 물질이동의 한계가 있는 이온 전지, 연료 전지 등의 다양한 에너지 저장 및 변환 분야의 전극 소재 개발 및 최적화에 핵심적인 기여를 할 것으로 보인다.”라고 말했다.

 

이번 연구는 한국연구재단 원천기술개발사업의 미래소재디스커버리 사업과 나노소재원천기술개발사업, 그리고 이공분야기초개발사업의 지원을 통해 수행 되었다.

 

그림 1..png

그림 1. 계층 다공성 금 촉매의 상단면 이미지. (스케일 바: 3 μm)

 

그림 2..png

그림 2. 이산화탄소 환원 반응 도중, 계층 다공성 금 촉매와 나노기공 금 촉매 내부의 이산화탄소 및 전자 이동 경로 개략도.