친환경 핵심소재 기술개발로

온실가스 저감기술 실용화 앞당긴다.
- 온실가스 저감 및 유용한 화합물 생산하는 고효율·고내구성의 촉매 제조기술
- 양산화 용이하여 신재생 전력에너지 활용한 이산화탄소 전환기술로 응용 기대

 

전 세계적으로 기후변화 문제의 해결 방안으로 이산화탄소(CO2)등 온실가스를 저감하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 전력에너지를 사용한 전기화학적 방법으로 이산화탄소를 저감하고, 동시에 일산화탄소 및 탄화수소 같은 산업에 유용한 화합물로 전환하는 친환경적인 기술이 크게 주목받고 있다. 최근 국내 연구진이 기후변화 문제를 해결할 수 있고, 유용한 화합물을 생산하는 친환경 이산화탄소 전환의 핵심 소재 기술을 개발했다고 밝혔다.

 

<그림 1> (왼쪽)고분자 코팅된 금입자를 이용한 효율적 전기화학 이산화탄소 환원 반응 (오른쪽)기존 금입자를 이용한 비효율적 전기화학 이산화탄소 환원 반응을 비교한 개념도

 

장종현 박사박현서 박사

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 장종현, 박현서 박사팀은  특정 고분자로 코팅된 금 나노입자를 합성한 촉매 제조 기술을 개발하여 이산화탄소 전환 반응의 활성과 안정성이 크게 증대되는 것을 밝혔다. 이 기술은 고성능, 고내구성 촉매 소재를 친환경적인 방법으로 대량생산이 가능하여, 향후 온실 가스 저감 및 이산화탄소 전환 기술의 실용화 연계에 기여할 것으로 전망된다. 

<그림 2> 개발된 고분자 코팅 금입자의 전자현미경 사진(a,b) 기존 금입자 전자현미경 사진 (c,d)

 

최근 전 세계에서 일어나는 예측 불가능한 기후 변화는 온실가스 증가 및 지구 온난화에 따른 대기 불안정 현상 때문인 것으로 여겨진다. 이산화탄소 농도는 산업화 이전 시대와 비교하여 약 40%(2017년. 405ppm)정도 증가한 것으로 보고되고 있다. 이로 인해 지구의 대기 평균 온도 또한 약 1〬c 가량 증가하였으며, 해수면도 약 88mm 정도 증가한 것으로 알려져 있다. 과학계 전문가들에 따르면, 지구 온난화로 인한 기후 재앙에 대비하기 위해서는 대기 온도 증가를 3〬c 이하로 제한하고, 공기 중 이산화탄소 양은 1조 7천억 톤 이상을 저감해야 한다고 전망하고 있다.

 

<그림 3> - 개발된 고분자 코팅 금입자(빨간색) - 기존 금입자(검은색)의 이산화탄소 환원 선택도<그림 4> - 개발된 고분자 코팅 금입자(빨간색) - 기존 금입자(파란색)의 이산화탄소환원 운전 안정성 *시간이 지나도 성능이 유지됨을 알 수 있다.

 


이산화탄소를 저감하는 기술의 하나로 태양광 및 풍력발전 같은 신재생 청정에너지를 이용한 이산화탄소 전기 분해(환원)법이 주목 받고 있다. 이 방법은 온실가스를 저감하고, 동시에 일산화탄소와 탄화수소와 같은 유용한 화학물질을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이때, 반응 촉매로는 금, 은 등의 나노입자가 사용되는데, 상업적 경쟁력을 갖기 위해서는 소재 및 제조 공정 측면에서 비용 절감과 성능 증대를 동시에 구현할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.

 

KIST 연구진은 촉매로 사용되는 이산화탄소 환원용 금 입자를 제조할 때, 폴리에틸렌 고분자를 금 입자 표면에 코팅하여 기존 금 입자에 비해 활성과 선택성이 약 30%, 고분자 코팅에 의한 촉매의 내구성도 약 20% 이상 증가하는 것으로 나타났다고 밝혔다. 또한 금 입자 촉매 표면의 고분자 코팅은 촉매 보호막 역할을 하는 동시에 이산화탄소를 잘 흡착시키는 역할을 하여 금 입자의 반응성과 내구성을 향상시키는 것으로 나타났다. 연구진은 고분자 용액을 이용한 액체 스퍼터링 공정*을 개발, 고분자 코팅된 금 입자 생산을 용이하게 하여 향후 상업적인 촉매 제조 및 경제적인 온실가스 저감 기술을 위한 토대가 될 것으로 기대하고 있다.
*액체 스퍼터링 공정 : 증착법의 일종, 아르곤 등의 가스 입자를 강한 전기장으로 이온화시킨 후 가속시켜 금속판에 충돌시키고, 이때 충돌로 인해 금속판에서 탈출한 금속 원자를 액체 용매에 모아 작은 입자로 만드는 방법. 

 

KIST 장종현 박사는 “본 연구로 개발된 촉매 기술은 활성과 내구성이 우수하며, 양산성이 높은 환경 친화적 기술이다. 향후 이산화탄소 전기분해 장치의 귀금속 촉매 사용량 및 공정 비용 절감에 기여할 것으로 전망된다. 또한 이를 통해 국가적 이슈인 온실가스 저감 및 기후변화 대응 기반 기술 구축에 기여할 것으로 기대한다.” 고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국이산화탄소포집 및 처리연구개발센터(KCRC)의 KOREA CCS(Carbon Capture & Storage) 2020 사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 분야 상위 1.02%) 최신호에 게재되었다.

 

 * (논문명) Enhanced CO2 reduction activity of polyethyleneglycol-modified Au nanoparticles prepared via liquid medium sputtering
   - (제1저자) 한국과학기술연구원 정민욱 박사(Post-Doc.), 차인영 박사 (Post-Doc.)
   - (교신저자) 한국과학기술연구원 장종현 책임연구원, 박현서 선임연구원

 

Posted by KIST PR

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