KIST, ‘고효율·대면적’ 나노 형태 은 나노 촉매 전극 개발

한국과학기술연구원(KIST)이 고효율을 지닌 나노 형태 은 나노 촉매 대면적 전극을 개발했다.

KIST 국가기반기술연구본부 청정에너지연구센터 오형성·이웅희 박사 연구팀은 베를린공과대학과의 공동 연구를 통해 인공광합성 주요 연구분야인 저기화학적 이산화탄소 전환시스템에서 일산화탄소를 얻을 수 있는 은 나노 촉매 전극을 개발했다고 30일 밝혔다.

인공광합성 시스템은 지구온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 고부가가치를 갖고 있는 화학 물질로 전환하는 기술로 최근에는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 분야가 높은 관심을 받고 있다.

기존 이산화탄소 전환 연구는 액체 상태(액상)에서 주로 진행돼 왔다. 액상에서는 전극을 물에 담근 형태로 성능을 측정하는데, 이산화탄소가 물에 잘 녹지않아 투입 에너지 대비 충분한 효율을 얻지 못하고 있었다.

최근 액체가 아닌 기체 상태에서 이산화탄소를 전환하는 시스템이 개발되어 효율을 높일 수 있을 것이라는 기대가 있었지만, 시스템에 적용할 수 있는 촉매, 전극에 개발에 대한 연구는 아직 미진한 편이었다.

KIST-TU Berlin 공동 연구진은 일산화탄소 생성 효율이 높은 기체상태(기상)에서의 이산화탄소 전환 시스템용으로 나노크기의 산호형태 모양을 지닌 은 촉매 전극을 개발했다.

해당 촉매는 기존 은 촉매에 비해 반응에 필요한 에너지가 적으며, 기존 액상 시스템에 비해 100배 이상의 일산화탄소를 생성할 수 있었다.

또 이산화탄소환원 시스템의 전극을 실험실 규모를 벗어나 실용화될 수 있도록 대면적화(50 cm ) 에 성공했다.

KIST 연구진은 다양한 실시간 분석(Operando analysis)을 통해 촉매를 개발할 수 있었다. 실시간 X-선 흡수 분석법으로 염소이온을 통해 제조된 산호 형태의 은 나노 전극 촉매가 높은 표면적 및 다공성 구조로 인해 높은 물질 전달 능력을 보이는 것을 확인했다.

이는 높은 이산화탄소 전환 효율을 보임을 뜻한다. 그리고 이산화탄소 전환 반응 시 소수성(hydrophobicity)이 없을 경우 이산화탄소 전환 효율이 감소함을 확인해 향후 이산화탄소 전환전극 개발 시 소수성의 필요성을 밝혀냈다.

KIST 오형석 박사는 “나노미터 크기의 산호 형태 은 촉매 전극의 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 전류 밀도 및 성능을 크게 향상시키고 추후 연구 방향을 제시했다”며 “본 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템 연구 개발에 크게 기여할 것으로 기대한다” 라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화대응기술개발사업으로 수행됐으며 에너지 환경 분야 국제 저널인 ‘Nano Energy’(IF: 15.548, JCR 분야 상위 3.716%) 최신 호에 게재됐다.