기본 콘텐츠로 건너뛰기

물과 이산화탄소를 포름산으로 바꾸는 촉매 기술



(This schematic shows the electrolyzer developed at Rice University to reduce carbon dioxide, a greenhouse gas, to valuable fuels. At left is a catalyst that selects for carbon dioxide and reduces it to a negatively charged formate, which is pulled through a gas diffusion layer (GDL) and the anion exchange membrane (AEM) into the central electrolyte. At the right, an oxygen evolution reaction (OER) catalyst generates positive protons from water and sends them through the cation exchange membrane (CEM). The ions recombine into formic acid or other products that are carried out of the system by deionized (DI) water and gas. Credit: Chuan Xia and Demin Liu/Rice University)


 포름산 (formic acid)은 CH2O2의 단순한 구조식을 지닌 화합물로 개미나 벌의 독에 포함되어 있어 흔히 개미산으로 불립니다. 오래전부터 알려진 화학 물질로 우주 공간에서도 발견될만큼 흔한 탄화수소 화합물입니다. 산업적으로 널리 쓰이지는 않지만, 만약 저렴한 가격에 대량으로 생산할 수 있다면 더 복잡한 화학 물질을 제조하는 원료나 혹은 그 자체로 에너지원으로 사용될 수 있습니다. 포름산 배터리 대해선 아래 글을 참조해 주시기 바랍니다. 




 라이스 대학의 하오티엔 왕(Haotian Wang)과 추안 시아 (Chuan Xia)는 새로운 촉매 시스템을 이용해 전기 에너지를 포름산 에너지로 바꾸는 방법을 개발했습니다. 에너지 전환 효율은 42%로 아주 높지는 않지만, 태양광이나 풍력, 혹은 원자력 등 유휴 시간대에 남는 전력이 많은 경우 이를 포름산으로 전환한다면 상당한 에너지를 저장하거나 기타 유용한 물질을 생산할 수 있습니다. 원료인 물과 이산화탄소 역시 무제한으로 공급할 수 있습니다. 


 이 변환 시스템의 핵심은 2차원 비스무스 촉매 (two-dimensional bismuth catalyst)와 고체 전극입니다. 원자 번호 83번인 비스무스는 매우 무거운 원자로 화학 반응을 안정시키는데 도움이 된다고 합니다. 더 중요한 부분은 연구팀이 이를 kg 단위로 대량 생산할 수 있다는 점입니다. 향후 산업 규모의 생산 가능성을 높여주는 이야기입니다. 


 연구팀이 개발한 폴리머 기반 고체 전극 (polymer-based solid electrolyte)은 과거 포름산 생산에 필요했던 소금의 존재를 더 이상 필요하지 않게 만들었습니다. 순수한 물만 사용할 수 있으므로 시스템의 수명과 이물질 제거의 필요성도 줄어듭니다. 테스트 시스템의 내구성은 매우 우수해 100시간 동안 작동해도 거의 열화가 일어나지 않았다고 합니다. 


 물론 실제 상용화 가능성은 더 연구가 필요한 부분이겠지만, 포름산을 이용한 에너지 저장 시스템이라는 점 자체가 흥미롭습니다. 과연 의미 있는 성과를 거둘지 주목됩니다. 


 참고 


Chuan Xia et al, Continuous production of pure liquid fuel solutions via electrocatalytic CO2 reduction using solid-electrolyte devices, Nature Energy (2019). DOI: 10.1038/s41560-019-0451-x


댓글

이 블로그의 인기 게시물

100 테슬라급 자기장 도달

 미국의 로스 알라모스 국립 연구소 (Los Alamos National Laboratory) 에서 과학자들이 지금까지 인간이 개발한 가장 강력한 자기장을 발생시키는 장치 개발에 도전하고 있습니다. 자기장의 세기를 나타내는 방법으로 자기력선의 밀도를 나타내기 위해 단위 면적당 자기력선의 수를 표시하는 단위인 테슬라 (T) 가 있습니다. (1T = 1Wb/㎡  웨버 (Wb) 는 자속의 단위)   의료용으로 사용되는 초전도체를 이용한 MRI 의 경우 1.5 - 3 테슬라급의 강력한 자기장으로 인체 내부를 볼 수 있게 만들지만 과학 연구용으로 이보다 더 강력한 자기장이 필요할 수 있습니다. 최근에 등장한 90 테슬라급 자기장에 이어 이번에 로스 알라모스 국립 연구소에서는 100 테슬라급인 100.75 T 를 실현 했다고 합니다.   이를 구현한 것은 18000 파운드 (8.16 톤 정도) 의 코일과 여기에 에너지를 공급할 1200 메가줄 (Megajoule) 급 모터 제네레이터등의 설비입니다.  (   The 1,200-megajoule motor generator that powers the magnetic pulse.  )  이와 같은 연구를 통해 알아내고자 하는 것은  Quantum Phase transitions and new ultra high field magnetic states Electronic Structure determination Topologically protected states of matter  로 요약할 수 있다고 합니다.   아무튼 수 T 급 MRI 만 해도 자기장의 힘이 엄청난데 100 T 라니 엄청난 자기장이네요. 이는 지구 자기장 세기보다 200만배 강력한 (물론 좁은 범위에서 작용하는 자기장이라 지구 전체...

고대 양서류 이야기 (2) - 악어를 닮은 거대 양서류들

  페름기에는 다양한 양막류가 진화해서 앞서 소개한 육상형 템노스폰딜리는 점차 설 자리를 잃게 됩니다. 하지만 양서류는 본래 자신의 서식지인 물과 습지에서 여전히 번성을 누렸습니다. 당시에는 악어류 같은 대형 양서형 파충류도 없던 시절이었기 때문에 이와 비슷한 생태학적 지위는 여전히 양서류의 몫이었습니다. 이들에 대한 이야기는 제 책인 포식자에서 비교적 간단히 다뤘는데, 오늘은 여기에 대한 보충 설명입니다.  책 정보:  http://book.naver.com/bookdb/book_detail.nhn?bid=13347200 Yes 24:  http://www.yes24.com/24/goods/58772859 11번가:  http://books.11st.co.kr/product/SellerProductDetail.tmall?method=getSellerProductDetail&prdNo=1977867160 알라딘:  http://www.aladin.co.kr/shop/wproduct.aspx?ItemId=134877825 교보문고:  http://www.kyobobook.co.kr/product/detailViewKor.laf?ejkGb=KOR&mallGb=KOR&barcode=9788970447988&orderClick=LAG&Kc= 인터파크 :  http://book.interpark.com/product/BookDisplay.do?_method=detail&sc.prdNo=279593764&sc.saNo=003002003&bid1=search_auto&bid2=detail&bid3=prd_img&bid4=001 영풍문고:  http://www.ypbooks.co.kr/book.yp?bookcd=100843205&gubun=NV ...

이빨이 다시 진화한 개구리

  ( CT scans of Gastrotheca guentheri skulls revealed what appeared to be identical rows of teeth on both the upper and lower jaws, which researchers later confirmed through dissection. Credit: Florida Museum/Daniel Paluh )  개구리는 2억년 전 진화 과정에서 이빨을 잃어버리고 큰 턱과 혀를 이용해 곤충 같은 작은 먹이를 잡아 먹는 방향으로 진화했습니다. 파충류나 포유류 같은 다른 사지류와의 경쟁에서 밀려 양서류가 쇠퇴하고 멸종하던 시기에도 개구리는 여전히 생존할 수 있었던 비결입니다.   이빨이 없는 덕분에 큰 혀를 발사하기 편해졌을지는 모르지만, 이빨이 없으면 종종 불편할 때가 있습니다. 씹는 대신 삼키기 때문에 음식을 씹을 수 없다는 점은 문제되지 않지만, 필사적으로 달아나려는 먹이를 잡기 힘들기 때문입니다. 이런 이유 때문에 일부 개구리는 이빨 같이 보이는 엄니 (fang)을 지니고 있으나 이는 사라진 이빨이 다시 난 것이 아니라 다른 부분이 진화한 것입니다.   이는 돌로의 법칙 ( Dollo's Law )으로 알려져 있습니다. 진화 과정에서 퇴화한 부분이 다시 생겨나지 않으며 대신 필요하면 다른 부분이 진화해 그 역할을 대신한다는 것입니다. 예를 들어 아가미가 사라진 사지 동물은 다시 물에 들어온다고 해도 아가미가 다시 생기진 않습니다. 대신 고래처럼 폐가 커져서 그 기능을 대신하게 됩니다.   하지만 모든 법칙엔 예외가 있기 마련입니다. 남미에서 발견된 멸종 위기 개구리 중 하나인 구엔터 유대류 개구리 ( Gastrotheca guentheri, Guenther's marsupial frog, dentate marsupial frog)는 완전한 형태의 이빨을 지니고 있습니다. 참고로 유대류 개구리라는 명칭은...