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| ▲ 비타민 C 증강 구리 나노선 촉매를 활용한 이산화탄소 환원 기반 에틸렌 대량 생산 기술 모식도 |
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지구온난화의 주범인 '이산화탄소(CO2)'를 에틸렌(C2H4)으로 전환을 촉진시키는 새로운 전기화학 촉매로 '비타민 C'를 적용해 에틸렌 생산성을 매우 높이는 기술을 국내 연구팀이 개발했다. 식물호르몬의 하나인 '에틸렌(C2H4)'은 화학구조가 지극히 간단한 탄화수소로 과일의 성숙, 개화, 잎의 탈리 등을 유도하거나 조절한다.
DGIST(대구경북기술원, 총장 이건우) 에너지공학과 남대현·이윤구 교수팀과 서강대학교(총장 심종혁) 화공생명공학과 백서인 교수팀은 16일 공동연구를 통해 "'비타민 C'를 불균일계(2종 이상의 상, 예를 들면 고체와 기체, 고체와 액체로 된 계) 이산화탄소(CO2) 환원 촉매에 적용시켜 에틸렌(C2H4) 생산성을 비약적으로 높이는 기술을 개발했다"고 밝혔다.
공동연구팀은 "대기 중의 이산화탄소가 과일의 '비타민 C' 함유량에 영향을 미치는 현상에 착안했다"고 강조했다.
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| ▲ DGIST 에너지공학과 남대현, 이윤구 교수팀이 연구결과를 확인하고 있다 |
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연구팀에 따르면, '이산화탄소의 전기화학적 환원'은 대기 중 이산화탄소 저감과 미래 청정 원료 생산이라는 '친환경 에너지'의 핵심 기술로 주목받고 있다.
하지만, 기존의 전기화학 촉매들은 높은 전류밀도에서 촉매 활동이 원활하게 이루어지지 않아 이산화탄소의 에틸렌 전환에 있어 필수적 요소인 '일산화탄소 중간체'가 제한적으로 형성되고, 이산화탄소 환원 반응 대신 수소생성반응이 유도되는 문제가 존재했다.
때문에 이산화탄소의 원활한 환원을 위해서는 전기화학 촉매를 통해 높은 전류밀도에서 일산화탄소 중간체가 안정적으로 형성되고, 두 개의 일산화탄소 중간체가 결합하는 이량체화(동일한 두 분자가 중합되어 만들어진 물질)를 촉진하는 것이 중요하다는 설명이다.
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| ▲ 비타민 C 증강 구리 나노선 촉매의 나노 구조 형상 (상단) 및 전기화학 이산화탄소 환원 성능 (하단) |
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이를 위해 남대현 DGIST 교수팀은 "이산화탄소 농도가 높은 환경에서 과일의 비타민 C 함량이 감소하는 현상을 활용하여, 비타민 C의 산화환원반응을 전기화학적 이산화탄소 환원 반응에 접목하는 방법을 고안했다"면서 "비타민 C와 그래핀 양자점을 합성하고, 이를 구리와 결합하여 '비타민 C 증강 구리 나노선' 촉매를 제작했다"고 설명했다.
참고로, 산화환원반응이란 물질간의 전자 이동으로 산화와 환원 반응이 동시에 일어나는데, 전자를 잃은 쪽은 산화수가 증가하고 산화되며, 전자를 얻은 쪽은 산화수가 줄어들고 환원된다. 이때 잃은 전자수와 얻은 전자수는 항상 같게 되는 반응을 의미한다.
연구팀은 "해당 방법을 통해 그래핀 양자점이 가진 나노구속효과로 비타민 C가 안정적으로 고정되고, 산화환원의 가역성(시간이 흐르는 동안 물체의 운동이 변화했을 때 시간을 거꾸로 되돌린다면 처음의 물체 상태로 되돌아갈 수 있는 성질)이 가능하게 됐다"고 부연했다.
연구팀의 설명처럼, 비타민 C의 산화환원 반응이 이산화탄소에 전자 및 양성자를 지속적으로 전달하면서 일산화탄소 중간체 형성과 이량체화를 촉진했고, 그 결과 연구팀이 개발한 촉매가 기존 구리 나노선 촉매에 비해 2.9배 향상된 에틸렌 생산성을 나타내게 됐다.
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| ▲ 라만 분광분석을 통한 비타민 C 증강 구리 나노선 촉매 표면의 향상된 일산화탄소 중간체 형성 과정 규명 (좌) 및 비타민 C 증강 구리 나노선촉매의 향상된 에틸렌 생산성 (우) |
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나아가 연구팀은 실시간 라만 분광분석 및 전산모사 연구를 통해 그래핀에 구속된 비타민 C가 일산화탄소 중간체와 구리 촉매의 결합을 최적화하고, 강한 수소결합을 기반으로 이산화탄소 환원 반응에 유리한 전자 및 양성자 전달이 가능함을 확인하면서 해당 촉매의 작동원리를 규명해냈다.
남대현 교수는 "이번 연구를 통해 이산화탄소 환원 반응으로 에틸렌을 대량 생산할 수 있는 전기화학 촉매를 개발하고, 반응 메커니즘을 새로이 규명했다"면서 "향후 해당 기술이 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하여 탄소중립에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 (NRF) 우수신진연구 사업, 나노·소재 기술개발사업 및 선도연구센터지원사업 (태양광 에너지 지속가능 활용 연구센터) 등의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 최상위 국제학술저널인 <Nature Communications>에 2024년 1월 게재됐다.