성균관대학교(총장 신동렬) 기계공학부 정형모 교수 연구팀(제1저자 김문경 박사과정 연구원)이 UNIST 권영국 교수, DGIST Stefan Ringe 교수와의 공동연구로 원자 수준의 공간을 가지는 이산화탄소 환원 전기화학 촉매 소재를 개발해 이산화탄소 환원 반응의 경쟁 반응인 수소 발생 반응을 효과적으로 억제하여 이산화탄소 환원 반응의 높은 활성도, 선택도 및 안정성의 특성을 가지는 전기화학 촉매 소재를 개발했다.
전기화학적 이산화탄소 환원 기술은 온실가스 배출이 없는 친환경 에너지원으로부터 생산된 전기에너지를 바탕으로 이산화탄소를 고부가가치의 화합물 또는 연료를 변환하는 기술로 에너지 및 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 차세대 미래 기술로 주목받고 있지만, 이산화탄소 환원 반응의 경쟁 반응인 수소 발생 반응에 의해 활성도 및 선택도가 제한되어 실질적인 적용과 활용이 어려운 실정이다.
정형모 교수 연구팀은 전기화학적 양이온 주입 공정을 개발하여 주석 산화물 소재 내 원자 수준의 결함 및 공간을 단계적 공정 조건에 따라 연속적으로 제어했고, 주사 투과 전자 현미경을 이용한 단층 촬영 및 3차원 구조화를 통해 전기화학적 양이온 주입 공정을 활용하여 주석 산화물 소재 내 원자 수준으로 계면을 제어할 수 있음을 밝혀냈다.
전기화학적 양이온 주입 공정의 양이온 주입량 조건을 단계적으로 제어해 입계와 같은 결함이 형성되고, 형성된 결함이 증식 및 확장되어 주석 산화물 소재 내 원자 수준의 공간이 형성되는 것을 확인했으며, 따라서 원자 수준(6Å)의 공간을 가지는 주석 산화물 소재 합성을 성공했다.
6Å 크기의 공간을 가지는 주석 산화물 소재는 공정이 적용되지 않은 상용 주석 산화물 소재와 비교하여 낮은 과전압을 보일 뿐만 아니라 17.4배 및 1.2배 향상된 활성도 및 선택도를 보였으며, 50시간 동안 활성도 및 선택도가 유지되어 높은 활성도, 선택도 및 안정성을 갖는 주석 산화물 기반 이산화탄소 환원 전기화학 촉매 소재를 개발했다.
또한 밀도범함수이론(Density Functional Theory) 계산을 통해 주석 산화물 소재가 6Å 크기의 원자 수준 공간을 가질 때, 수소 발생 반응을 효과적으로 억제할 수 있어 율속 단계의 중간화합물 형성 에너지가 안정화될 수 있음을 밝혀냈다.
정형모 교수는 “소재 내 빈 공간도 원자 수준 크기로 존재하면 활성 기능을 가지는 신개념의 소재 설계 요소로 볼 수 있으며, 공간 특이성을 가지는 소재 설계 개념이 실제적인 에너지 변환 기술을 위한 고활성 및 고선택도의 소재 설계를 위한 새로운 요소가 될 것이다”며, “본 연구에서 개발한 공정을 활용하여 원하고자 하는 소재의 미세구조를 원자 수준으로 제어할 수 있으므로 에너지 변환 및 저장 소재뿐만 아니라 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 탄소 자원화 및 에너지 소재 개발을 위한 핵심 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
본 연구는 한국연구재단의 중견연계 신진후속 연구지원과제, carbon to X 기술개발사업과 한국과학기술연구원(No. NRF-2021R1A2C4001777, No. NRF-2021R1A2C2007823, NRF-2021R1C1C1008776 및 No. 2020M3H7A1098231)의 지원을 받아 수행되었으며, 재료 분야 국제학술지 Advanced Functional Materials(IF: 18.808, JCR<5%)에 10월 23일자 온라인 게재되었으며, 표지 논문으로 선정됐다.
정형모 교수
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