은 보다 안정성 뛰어난 탄소나노튜브에 질소 함유 촉매 개발

한국과학기술연구원(KIST) 국가기반기술연구본부 민병권 박사 연구팀(황윤정‧원다혜 박사)은 인공광합성 실험실 환경이 아닌 실제 환경에서도 장시간 동안 안정적으로 구동될 수 있는 전기화학 인공광합성 촉매를 개발했다고 밝혔다.

인공광합성 기술은 태양광을 이용해 지구 온난화의 주범으로 알려진 이산화탄소를 부가가치를 갖는 물질로 전환, 자원화하는 에너지·자원 분야 꿈의 기술이라고 알려졌다.

태양광과 연계한 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 계략도.

인공광합성 기술의 실현을 위해서는 화학적으로 매우 안정된 상태에 있는 이산화탄소를 손쉽게 변환하기 위한 높은 효율을 갖고, 그 효율을 안정적으로 유지할 수 있는 촉매가 필요하다. 이러한 효율과 내구성이 높은 이산화탄소 변환 전기화학 촉매를 개발하기 위해 전 세계적으로 수많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 대부분 실험실 환경의 연구에 머무르고 있어 실용화까지는 먼 길이 남아 있다.

현재까지 대부분 연구자는 다양한 불순물로부터 생기는 변수를 최소화하기 위해 고도로 정제된 증류수를 사용하여 촉매를 개발해왔다. 이렇게 개발된 촉매들은 대량 생산을 위한 실제 환경에 적용될 경우 고도로 정제된 실험실 환경과 동등한 성능 및 안정성을 보이기는 힘들다.

KIST 연구진은 이 같은 문제점을 극복하기 위해 이산화탄소 변환 전기화학 시스템의 가장 기본 구성 요소인 전해질을 초고순도의 증류수가 아닌 수돗물로 바꿨다. 또한, 은 촉매를 이용해 수돗물의 성분 중 ‘철’ 성분이 촉매의 성능을 가장 크게 저하한다는 것을 밝혔다.

수돗물 환경에서 120시간 안정적 이산화탄소 전환.

KIST 연구진은 실제 물(수돗물)을 사용하는 환경에서 내구성을 높이기 위해 촉매를 철 성분으로부터 보호했다. 이를 위해 금속 불순물이 증착되어도 문제가 없도록 탄소나노튜브에 질소 원소가 함유된 형태의 촉매를 개발했다. 탄소나노튜브섬유(carbon nanotube fiber)란 탄소만으로 구성된 원통형의 나노 구조체로 구성된 매크로 섬유를 말한다.

이 촉매는 고가의 상용 촉매인 은 촉매에 버금가는 이산화탄소 전환 성능을 보였다. 수돗물 환경에서 20분 이내에 성능이 80% 이상 감소하는 은 촉매와 대비, 최대 120시간 동안 안정적인 성능을 보였다.

KIST 민병권 본부장은 “본 연구는 일반적으로 실험실 연구 과정에서 쉽게 간과할 수 있는 부분이자 개발 기술들이 직면하게 될 실제 적용 환경에 대한 고찰로 시작됐다”며 “본 연구로 밝혀진 내구성 저해 요소와 탄소 기반 촉매의 장시간 내구성 확보 결과를 통해 인공광합성 기술의 실용화 가능성을 더욱 높일 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행됐다. 연구 결과는 촉매 분야 최고 수준 과학전문지인「Applied Catalysis B: Environmental」 (IF : 14.23, JCR 분야 상위 0.96%) 최신호에 게재됐다.

* (논문명) Achieving tolerant CO2 electro-reduction catalyst in real water matrix

– (제 1저자) 한국과학기술연구원 원다혜 선임연구원

– (교신저자) 한국과학기술연구원 민병권 책임연구원

– (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 책임연구원