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2017년 3월 25일 토요일

이산화탄소를 메탄올로 바꾸는 촉매



(Brookhaven scientists identified how a zinc/copper (Zn/Cu) catalyst transforms carbon dioxide (two red and one grey balls) and hydrogen (two white balls) to methanol (one grey, one red, and four white balls), a potential fuel. Under reaction conditions, Zn/Cu transforms to ZnO/Cu, where the interface between the ZnO and Cu provides the active sites that allow the formation of methanol. Credit: Brookhaven National Laboratory)


 여러 차례 소개드린 것과 같이 이산화탄소를 보다 유용한 물질로 바꾸기 위한 연구가 많은 과학자들에 의해 진행 중에 있습니다. 문제는 이산화탄소가 쉽게 화학 반응을 일으키지 않는 안정한 물질이라는데 있습니다. 탄소와 산소 원자가 매우 단단하게 붙어서 안정하게 존재하므로 이를 다른 물질과 반응시키기가 쉽지 않은 것이죠. 결국 많은 에너지를 사용하지 않기 위해서는 촉매의 힘이 필요합니다. 


 지금까지 과학자들은 여러 가지 촉매를 개발해왔지만, 정확히 어떻게 작용하는지에 대한 정보는 부족했습니다. 미국 에너지부 산하의 브룩헤븐 국립 연구소 (U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory)의 과학자들과 다른 협력 과작자들은 아연/구리(Zn/Cu) 촉매가 작용하는 기전을 밝혀내 저널 사이언스에 발표했습니다. 


 현재 사용되는 촉매는 구리, 산화 아연, 산화 알루미늄으로 만드는데 사실 매우 효과적이라고 하기는 어려웠습니다. 따라서 연구팀은 정확히 촉매로써 작용하는 부위와 기전을 알아내기 위해서 노력했습니다. 말은 쉬워보이지만, 순식간에 일어나는 화학 반응의 단계를 분자 표면에서 알아낸다는 것은 쉽지 않은 일이었습니다. 


 연구팀은 강력한 X선과 더불어 브룩헤븐 연구소와 국립 에너지 과학 컴퓨팅 센터의 컴퓨터를 이용해서 이산화탄소에서 메탄올로 변환되는 과정을 조사했습니다. 그 결과 아연-구리 화합물이 산화아연-구리로 변하면서 반응이 일어나는 활성 장소 (active site)를 제공해 반응이 일어나는 것이 확인되었습니다. 


 물론 이것이 당장에 효율적인 이산화탄소 - 메탄올 공정을 만드는 데 사용되지는 못하지만, 앞으로 더 효과적인 변환 촉매를 만들 수 있는 연구 기반이 마련된 것입니다. 


 이산화탄소를 더 유용한 연료로 바꾸는 연구는 온실 가스 배출 감축과 대체 에너지 확보라는 두 가지 목표를 달성 할 수 있어 매우 유망한 연구라고 하겠습니다. 상업적인 대량 생산에 이르기까지는 아직 더 많은 연구가 필요하지만, 언젠가는 대규모 양산이 가능해지기 기대해보겠습니다. 


 참고 


"Active sites for CO2 hydrogenation to methanol on Cu/ZnO catalysts" Science, science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aal3573 

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