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Hyung-Suk Oh
2021년 10월 05일
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KIST 청정에너지연구센터 연구팀 염기성 물질로 성게 모양 구리 촉매 개발 낮은 전압에서도 높은 생성 선택도 보여 전기화학적 CO2전환시스템 실용화 기대 국내 연구진이 이산화탄소(CO₂)에서 유용 화학물질을 대량 생산할 수 있는 기반 기술을 마련했다. 이는 정부가 강조하는 '탄소중립'을 이루고 관련 기술을 실용화하는데 큰 도움이 될 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진)은 오형석·황윤정·이웅희 청정에너지연구센터 박사팀이 전기화학 CO₂ 전환 시스템에서 에틸렌·에탄올을 높은 효율로 얻을 수 있게 하는 성게 모양 구리 나노촉매 전극을 개발하고 관련 시스템을 구현했다고 4일 밝혔다. 전기화학 CO₂ 전환 시스템은 환경오염 없이 CO₂를 제거하며 석유화학 공정으로만 얻을 수 있었던 유용 화학물질을 얻을 수 있게 한다. 그동안 실험실 규모 연구에 그쳐 산업 적용이 쉽지 않았다. 대용량화에 적합한 촉매, 전극 개발이 숙제로 남아있었다. 연구팀은 염기성 물질을 이용해 성게 모양 구리 촉매를 개발, 기반을 세웠다. 성게처럼 불규칙한 바늘을 가진 형태인데 이 바늘의 뾰족한 부분이 높은 촉매 활성도를 보인다. 연구팀은 이 촉매가 기존 구리 촉매 대비 낮은 전압에서도 높은 에틸렌 생성 선택도를 보인다고 설명했다. 에틸렌 생산량이 50% 이상 향상됐다. 연구팀은 CO₂ 전환 전지를 여러 개 적층한 대량생산 시스템을 제작하고 분석해 실용화 가능성도 확인했다. 분석 결과 염기성 물질을 지닌 개발 촉매가 전기화학 반응 중 부분적으로 수산화구리·산화구리 성분을 갖게 되고 이것이 에틸렌 생성에 좋은 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 연구팀은 반응 중 수산화물 및 산화물 비율을 높이는 것이 향후 에틸렌 생산 효율을 높이는 열쇠가 될 수 있다고 밝혔다. 오형석 KIST 박사는 “염기성 물질이 첨가된 성게 형태 나노 구리 촉매 전극 개발로 전기화학적 CO₂ 전환 시스템 성능과 규모를 크게 향상시키고 연구개발(R&D) 방향도 제시했다”며 “이번 연구를 통해 전기화학적 CO₂ 전환 시스템 실용화에 크게 기여할 것이다”고 말했다. 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 KIST 주요사업 및 차세대 탄소자원화 사업으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 '나노에너지(IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.299%)' 최신 호에 게재됐다. 김영준기자 kyj85@etnews.com https://www.etnews.com/20210304000132
KIST, 고효율 CO₂ 전환 촉매 전극 및 시스템 개발...'탄소중립' 핵심기술 구현 content media
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Hyung-Suk Oh
2021년 10월 05일
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탄소중립! 세상이 숨쉬다 ⑧] KIST e-케미컬 연구팀 재생에너지 활용 이산환탄소의 고부가 화합물 전환 기술 전기화학적 CO₂ 전환, 촉매·반응기·반응시스템 개발 국내 연구팀이 석유나 천연가스 대신 이산화탄소(CO₂)를 활용해 에틸렌을 생산할 수 있는 기술을 개발해 관심이 모아진다. KIST(한국과학기술연구원) 청정에너지연구센터 오형석 박사 연구팀이 이산화탄소와 물을 전기화학적으로 전환하고 에틸렌을 제조할 수 있는 시스템 구현을 위해 물산화 촉매, 이산화탄소 전환 촉매, 전기화학전지 3가지 구성 요소 기술을 개발했다. 전기화학적 이산화탄소 전환시스템은 지구 온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 고부가가치 화학물질로 전환하는 기술이다. 환경오염없이 이산화탄소를 제거하고 유용한 화학물질을 얻을 수 있어 최근 관심이 높아지는 분야다. 이번 성과는 시스템 성능 향상과 대용량화, 신재생에너지와 결합 등 가능성을 보여주며 지속 가능한 친환경 공정으로 평가된다. 에틸렌은 석유계 기초 유분으로 플라스틱, 비닐, 합성 고무, 각종 건축자재 등 다양한 분야에 사용돼 산업의 쌀로 불린다. 하지만 기존의 에틸렌은 석유나 천연가스를 정제해 얻는다. 과정 중 고온 고압의 공정을 거치면서 많은 온실가스를 배출하게 된다. 다가오는 탄소중립 실행을 위해 기존 석유화학공정을 대체할 새로운 화학공정이 필요한 이유다. 전기화학적 CO₂ 전환과 대면적 에틸렌 제조시스템 구현을 위해 연구팀은 ▲대면적 전기화학전지 ▲구리 기반 나노입자 CO₂ 환원 전극 ▲대면적 니켈 기반 물산화 전극 등 세가지 요소 기술을 개발했다. 연구팀은 100cm² 대면적화 전기화학전지를 개발, 타입별 실험을 통해 이산화탄소 전환 성능을 향상시켰다. 또 개발된 염기성 구리 촉매 전극은 상용화에 필수적인 스택 시스템에서 50%의 에틸렌 생산 전력효율을 보였다. 염기성 구리 촉매가 에틸렌 생성을 위해 효과적이라고 볼 수 있다는 게 연구팀의 설명이다. 또 구리 나노입자, 은 나노입자의 이중 층 조성과 구조 최적화를 연구, 이중 층 탠덤 촉매를 개발해 38%의 에틸렌 선택도를 높였다. 탠덤 촉매는 은 촉매 층이 막과 닿아있는 경우 탠덤 촉매 성능이 최대화 되는 것도 확인했다. 물산화 전극을 위해 니켈 폼을 철이온, 황과 함께 열처리 후 간단하게 대면적 전극으로 제조하는 기술을 확보했다. 개발된 전극은 값이 싼 니켈 기반의 촉매임에도 귀금속 전극과 비슷한 성능을 보이면서 긴 내구성을 유지했다. 물산화 전극의 경제성을 높이는데 도움이 될 것으로 예상된다. 이산화탄소를 전기화학적으로 환원해 에틸렌을 생산하는 기술 개발을 위해 진행한 기초연구들은 이후 촉매 기술(구리, 비귀금속 촉매 제작기술 등), 반응기 기술(전기화학적 CO₂ 전환용 대면적, 막전극 잉크 레시피), 실시간 분석기술(실시간 전기화학 촉매 분석 플랫폼 개발, 촉매·열화 메커니즘 분석), 패키지 분석에 응용될 것으로 기대된다. 한국석유화학협회에 의하면 국내 에틸렌 생산능력은 세계 4위(982만톤). 생산의 55%를 수출한다. 현재 생산은 석유화학 산업에 의존한다. 하지만 한국 에틸렌 최대 수입국인 중국이 자체 설비를 확장하고 미국은 값싼 세일 가스 기반 에틸렌을 생산하고 있다. 에틸렌 생산에 변화가 필요한 시점이다. 연구팀은 "한국, 일본, 서유럽 등이 원유를 사용해 에틸렌을 생산한다"면서 "하지만 탈석유화학시대에 독자적인 원천기술 확보가 필요하다"고 강조했다. 탄소 중립에 맞춰 에틸렌 생산 이외에도 전기화학적 CO₂ 전환 연구도 활발하다. 정부 R&D 특허전략 지원사업- 'e-chemical 제조기술'에 의하면 2005년 교토의정서가 공식 발효된 이후 촉매와 디바이스 특허가 큰 폭으로 늘고 있다. 연구팀도 한국과 미국 등에 전기화학적 CO₂ 전환 에틸렌 생산 특허를 출원한 상태다. 지난해 Energy&Environmental Science, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental 등 국제 학술지 6편에 연구결과를 보고했다. 관련 국내 대기업과 함께 기술 개발도 논의 중이다. 한편 이번 연구는 차세대탄소자원화연구단(단장 전기원 화학연 박사)의 지원을 받았다. 현재 이산화탄소의 에틸렌 전환 관련 기술은 과학기술정보통신부의 후속 과제로 제안 중이다. 출처 : 헬로디디(http://www.hellodd.com) https://www.hellodd.com/news/articleView.html?idxno=92714
석유 대신 이산화탄소로 화학산업 쌀 '에틸렌' 제조 content media
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Hyung-Suk Oh
2021년 10월 05일
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[기계신문] 탄소중립을 실현하기 위한 방법으로 그린수소를 생산하는 수전해 기술과 수소연료를 이용해 전기를 생산하는 수소연료전지가 주목받고 있지만, 구동 시스템의 내구성 문제는 이러한 기술이 널리 쓰이지 못하는 걸림돌 가운데 하나였다. 수소연료전지와 수전해 시스템이 구동될 때 수소와 산소가 만나 전기가 생성되면서 물도 함께 생성되는데, 생성된 물이 연료전지 촉매의 표면을 덮을 경우 산소와 반응해야 하는 수소가 순간적으로 부족하게 되어 전극의 일부인 탄소가 이산화탄소로 산화되어 공기 중으로 날아가기 때문이다. 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 오형석 박사 연구팀이 베를린 공과대학교(TU-Berlin)와 공동연구를 통해 수소연료전지 및 수전해 시스템의 전극에서 발생하는 내구성 저하 문제를 해결할 수 있는 이리듐 나노 촉매를 개발했다. 이리듐(Ir)은 연료전지의 수소 산화 및 수전해 설비의 산소 생산, 수소 생산 반응에 효과적으로 도움을 주는 촉매지만, 쉽게 산화되어 이리듐 산화물(IrO) 형태로 존재하기 때문에 전극의 부식은 막을 수 있으나 백금 촉매의 활성을 오히려 방해하는 문제가 있었다. 이 때문에 이리듐 산화물로 변해 연료전지 및 수전해 설비의 기능을 방해하는 골칫덩이가 되어버린 촉매를 다시 이리듐 금속으로 되돌리는 것이 이리듐 산화물을 사용하기 위한 필수적인 과제였다. KIST 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 일반적인 반응 시에는 이리듐 금속으로 존재해 촉매로서의 역할을 하고, 전극이 부식될 위험이 발생하면 이리듐 산화물로 변해 부식을 막을 수 있는 스마트 촉매를 개발했다. 새로운 분석 플랫폼인 실시간 분석(in-situ/operando analysis)을 통해 이리듐 촉매의 화학 변화를 조절할 수 있는 이리듐 산화물의 산화 피막의 두께를 찾아내어 상황에 맞춰 이리듐(Ir)-이리듐 산화물(IrO)의 형태를 자율적으로 변환될 수 있는 촉매를 개발했다. 개발된 촉매는 탄소 전극의 부식 위험이 있을 때는 이리듐 산화물로 변해 부식을 막아 내구성을 높이고, 정상 구동 조건에서는 빠르게 이리듐 금속으로 돌아와 촉매로서 기능한다. 기존 상용 백금 촉매가 40% 성능 감소를 보이는 가혹 조건 내구성 평가에서 9%의 성능 감소만을 보였다, KIST 오형석 박사는 “개발한 이리듐 촉매 분석 플랫폼으로 연료전지 및 수전해 시스템의 내구성 문제를 해결할 수 있는 새로운 연구 개발 방향을 제시했다”며 “금속 및 금속 산화물 간의 전기화학적 가역성을 가지는 촉매 개발을 통해 하나의 촉매로 다양한 전기화학 반응에 적용 가능해 수소자동차 및 그린수소 생산 수전해 시스템의 내구성 개선 전략으로서 탄소중립 달성에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업, 한국연구재단 차세대탄소자원화 및 Carbon to X 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제학술지 ‘Nature Communications’ 최신 호에 게재되었다. 기계신문, 기계산업 뉴스채널 한음표 기자 hup@mtnews.net http://www.mtnews.net/m/view.php?idx=11532
KIST, 수소연료전지·수전해 시스템 내구성 개선 ‘이리듐 나노 촉매’ 개발 content media
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Hyung-Suk Oh

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