해외신기술
물에서 CO2를 CO로 변환시키는 촉매 개발 성공
프랑스 몽클레어 전기화학연·솔본느대학 연구진 공동연구
중성 pH에서 전기분해로 CO 생성 극대화·수소 생산 억제
재생가능한 에너지원으로부터 만들어지는 에너지 혹은 청정에너지는 개발도상국에 커다란 이익을 가져다 줄 수 있다. 청정에너지를 만드는 한 가지 방법은 태양에너지를 이용하는 것으로 ‘피셔 트롬쉬(Fischer-Tropsch)’라 불리는 화학공정을 통해 태양열을 전기에너지로 바꾸는 방법이 있다. 이 방법은 가스 형태의 CO(일산화탄소)와 수소를 연료로 이용가능한 액체 형태의 탄화수소로 변환시키는 과정을 포함한다.
재생가능한 에너지원인 CO2(이산화탄소)를 통해 많은 양의 연료원을 만들어내기 위해서는 산업적으로 실용적인 방법을 사용해 CO로 전환하는 것이 필요하다. 이 반응은 많은 양의 CO를 만들어내기 위한 촉매를 필요로 하지만, 비수용성 용매를 통해 이루어지는 경우가 많아 산업적 규모로 이루어지기에는 한계가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 프랑스 몽클레어 전기화학연구소(Laboratoire d、Electrochimie Moleculaire), 솔본느대학(Sorbonne Paris Cite) 등의 소속 연구원인 Cyrille Costentin, Marc Robert, Jean-Michel Saveant, Arnaud Tatin 등은 물 속에서 CO2를 CO로 전환시키는 촉매를 개발하는 데 성공했다.
촉매는 또한, 시스템의 pH(수소이온농도)를 조절함으로써 CO2와 H(수소)의 비율 조절에 성공했다. 연구 결과는 최근 『Proceedings of the National Academy of Science』지에 게재되었다.
CO2를 CO로 변환시키는 반응에는 에너지적으로 불필요한 라디칼 음이온(radical anion)의 형성을 억제하는 촉매가 필요하다. 이러한 과정은 철 포르피린(Iron porphyrin)이 매우 유용한데, 철이 전기화학적 방법을 통해 Fe(I)에서 Fe(0)로 환원될 수 있기 때문이다.
Fe(0)는 이 과정을 통해 원치 않는 라디칼 음이온 중간체에 결합하게 되고, 결국에는 일산화탄소를 만들어낼 수 있게 된다. 하지만 포르피린은 물에 녹지 않는 데다, 산(acid)은 반응을 촉진시키기도 하지만 수소 가스를 만들어낼 수도 있다. 일산화탄소와 수소의 생산은 경쟁적이기 때문에 보다 많은 양의 수소가 만들어지면 일산화탄소의 생산량은 줄어들게 된다.
이전의 연구 결과들은 페놀(phenol)이 수소 가스를 만들어내지 않으면서도 산성화된 양성자를 만들어내는 훌륭한 후보가 될 수 있다는 사실을 입증한 바 있다. 이에 이번 연구원들은 페놀 그룹을 포르피린 구조에 결합시키는 전략을 이용했으나 페놀이 결합된 촉매는 물에 여전히 녹지 않았다. 이러한 문제를 극복하기 위해 연구진은 파라(para) 위치의 트리메틸아민(trimethylamine)을 페놀 그룹에 결합시켰고, 그 결과 물에 녹는 포르피린이 만들어졌다.
이 촉매를 이용한 순환전압전류법(Cyclic voltammetry)적 실험결과는 이산화탄소가 존재하지 않는 상황에서 철의 세 가지 형태의 산화 상태 특징을 고스란히 반영하고 있다. 이 중에서 특히 흥미로운 특징은 Fe(I)에서 Fe(0)로의 산화과정이다. Fe(0)는 CO2를 CO로 전환시키는 데 필요하다. 또한, 순환전압전류법은 이산화탄소가 존재하는 상황에서 촉매활성을 의미하는 전류의 증가를 보여준다.
순환전압전류법과 준비된 규모의 전기분해적 연구 방법은 이 반응 메커니즘이 반응의 pH에 의존한다는 사실을 보여주었다. 한 시간에 걸쳐 액체 상태의 촉매에 -0.97V의 전압으로 주어진 이산화탄소 전기분해 데이터가 있으며, 이 경우 KOH(수산화칼륨)를 이용해 pH를 증가시킬 수 있었다.
그 결과 90%의 일산화탄소와 7%의 수소가 만들어졌다. 이후 두 번째 전기분해 실험은 보다 긴 시간 동안 -0.87V의 전압을 가해 이루어졌으며, 거의 대부분을 일산화탄소로 만들 수 있었다.
연구진은 중성의 pH에서 일산화탄소의 생성이 극대화되고 수소의 생산이 억제된다는 사실을 발견했으나 보다 다양한 동역학적 연구 결과가 필요하다. Costentin은 이전에 연구했던 타펠분석법(Tafel plot)을 통한 연구 결과에 기초해 이 촉매의 회전주파수(turnover frequency)와 과전압을 측정할 수 있었다.
아직 보다 많은 연구결과가 필요하지만 연구진은 중성 pH인 물에서 CO2를 CO로 전환시킬 수 있는 촉매를 개발할 수 있었다는 점을 발견했다. 이번 연구 결과는 재생가능에너지원인 이산화탄소를 재생불가능한 에너지원으로 변환시켰다는 점에서 중요하다고 평가된다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015년 6월 8일 / 원문출처 = http://phys.org/news/2015-06-catalyst-carbon-dioxide-monoxide.html]
[『워터저널』 2015년 7월호에 게재]