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2017년 9월 21일 목요일

이산화탄소를 연료로 만드는 고효율 촉매




(Schematic of a new catalyst made of copper nanoparticles that converts carbon dioxide to multicarbon products (ethylene, ethanol, and propanol). At top left are transmission electron microscope images of the copper nanoparticles. The transformation of the nanoparticles from spheres to cube-like structures is key to keeping the energy input low for the reactions. Credit: Dohyung Kim/Berkeley Lab)


 과학자들은 끊임없이 이산화탄소를 이용해서 유용한 물질을 만드려고 시도하고 있지만, 이산화탄소 자체가 산소와 단단히 결합해서 매우 안정한 물질이기 때문에 쉽지 않은 과제입니다. 그럼에도 당면한 온실가스 문제와 더불어 이렇게 많이 생산되는 물질을 더 유용하게 사용할 수 있다면 적지 않은 이점이 있을 것이 분명합니다. 따라서 많은 과학자들이 이 문제에 매달리고 있습니다. 


 미국 에너지부 산하의 로렌스 버클리 국림 연구소 (Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab))의 연구팀은 이산화탄소를 에탄올, 에틸린, 프로판올 같은 유용한 원료 물질로 변형시키는 촉매를 개발했습니다. 이런 촉매는 이전에도 알려졌지만, 효율성을 크게 끌어올린 것이 핵심입니다. 


 버클리 연구소의 김동현(Dohyung Kim, a graduate student in Berkeley Lab's Chemical Sciences Division and at UC Berkeley's Department of Materials Science and Engineering)을 비롯한 연구자들은 구리 나노입자를 이용한 새로운 촉매를 개발했습니다. 이 촉매 나노입자는 7nm에 불과한 크기를 지니고 있습니다. 연구팀은 다시 이 나노입자를 입체적으로 사각형 형태로 쌓아올려 10-40nm 크기의 미세한 돌기로 만들었습니다. 이를 통해 촉매의 반응면적을 크게 늘린 것입니다. 


 과거 구리 합금 촉매를 이용해 이산화탄소를 다른 물질로 변형시키는 전극촉매(electrocatalyst)의 경우 작동하는데 1V 정도의 비교적 높은 전압이 필요했습니다. 하지만 새로운 나노 구리 촉매는 이를 300mV로 낮춰 더 효과적인 변환을 가능하게 합니다. 더 나아가 만들어지는 탄화수소 역시 중요합니다. 


 에탄올의 경우 가솔린과 섞어 큰 변형없이 자동차 연료로 사용이 가능하며 에틸렌의 경우 PVC에서 플라스틱 필름까지 우리가 흔히 사용하는 플라스틱 제품의 중요한 원료가됩니다. 프로판올 역시 연료를 포함해서 다양한 용도로 사용이 가능합니다. 즉 이산화탄소에서 다른 복잡한 변환 단계 없이 한 단계만으로 유용한 물질을 생산할 수 있다는 것입니다. 


 이는 놀라운 성과로 이 연구 내용은 저널 PNAS에 발표되었습니다. 하지만 아직 상용화까지는 갈길이 먼 상태입니다. 에너지 전환 효율이 24.1%로 아직 높지 않은데다 더 문제는 생산 속도가 느리기 때문입니다. 연구팀에 의하면 10제곱센티터의 촉매패널이 하루 동안 생산할 수 있는 탄화수소의 양은 에틸렌 1.3g, 에탄올 0.8g, 프로판올 0.2g에 불과합니다. 


 물론 이를 극복하기 위한 연구는 앞으로 계속될 것입니다. 언젠가 우리가 이산화탄소를 더 쉽게 유용한 물질로 바꿀 수 있는 능력을 확보한다면 현재 인류가 직면한 온실가스 문제와 에너지 문제를 더 쉽게 해결 할 수 있을 것입니다. 


 참고 


 Dohyung Kim el al., "Copper nanoparticle ensembles for selective electroreduction of CO2 to C2–C3 products," PNAS (2017). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1711493114


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