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현존 최고 성능 세라믹 전기화학전지 개발
온실가스 배출량을 '0'으로 만드는 글로벌 약속 '탄소중립(Net-zero)' 달성을 위해 탄소 배출을 줄이는 수소 에너지의 활용 및 생산은 선택이 아닌 필수적인 요소로 부상하고 있다. 이를 위한 에너지 변환 기술 중 고효율 전력 변환 및 그린수소 생산이 가능한 프로토닉 세라믹 전기화학전지(PCEC)가 미래 수소 에너지 사회를 촉진할 차세대 기술로 주목받고 있다.
우리 대학 기계공학과 이강택 교수, 신소재공학과 정우철 교수, 한국에너지기술연구원 이찬우 박사, 전남대학교 송선주 교수 공동 연구팀이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 산화물 전극 결정구조 제어를 통해 양성자 확산경로를 2차원에서 3차원으로 확장하는 데 성공해 전극의 촉매활성을 크게 향상시켰다고 14일 밝혔다.
비대칭 구조를 갖는 페로브스카이트 산화물계 전극은 구조적인 한계로 인해 양성자의 격자 내 이동이 제한으로 촉매 활성이 낮아 연료전지의 성능이 낮아진다는 문제점이 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해, 이종 금속원소 후보군을 선정 및 도핑해 격자내에서 양성자가 이동하기 어려운 비대칭 구조를 성공적으로 대칭 구조화하여 양성자 수송 특성을 극대화 하였고, 이를 통해 고성능 전극 설계에 대한 단초를 마련했다. 또한 연구팀은 계산화학*을 통해 전극의 결정구조가 양성자 수송 특성에 미치는 영향에 대한 상관관계를 규명했다.
*계산화학: 컴퓨터를 이용해 화학 시스템의 구조와 반응성을 이론적으로 모델링하고 예측하는 학문
연구팀이 개발한 전극 소재는 프로토닉 세라믹 전기화학전지에 적용돼 현재까지 보고된 소자 중 가장 뛰어난 전력 변환 성능(650도에서 3.15 W/cm2)을 보이며 생산 과정 중 이산화탄소가 배출되지 않는 그린수소 또한 높은 생산 성능(650도에서 시간당 약 770 ml/cm2)을 보였다. 500시간의 장시간 구동 후에 가역 구동(전력 및 그린수소를 교대로 생산)에서도 안정적인 성능을 보여, 제시한 전극 설계 방법의 우수성이 입증됐다.
이강택 교수는 “이번 연구에서 제안한 전극 설계 기법이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 고성능 전력/그린수소 생산에 대한 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대되며, 이 기술이 글로벌 넷제로 달성을 위한 수소 생산 및 친환경 에너지 기술 상용화에 촉매제가 될 수 있을 것”이라고 말했다.
우리 대학 기계공학과 김동연 박사과정, 정인철 박사, 신소재공학과 안세종 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지·재료 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈, Advanced Energy Materials (IF:27.8)’에 지난 4월 12일 字 후면표지(Back cover) 논문으로 게재됐다. (논문명: On the Role of Bimetal-Doped BaCoO3-���� Perovskites as Highly Active Oxygen Electrodes of Protonic Ceramic Electrochemical Cells)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업, 이공분야기초연구사업 그리고 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
2024.05.14 조회수 3778 -
이산화탄소 분해 과정 원자 수준에서 관찰하다
대기 중의 온실가스를 제거하고 미래 청정 원료를 생산하기 위해 신재생에너지를 활용한 전기화학적 전환 기술은 탄소중립 달성을 위한 산업계 체제 전환 대응 핵심 기술로 주목받고 있다. 하지만, 이산화탄소를 산업적으로 분해/활용하기 위해서 최근 단원자 전이 금속 촉매가 이산화탄소를 분해하는 차세대 촉매로 큰 기대를 모으고 있으나 아직 이 화학반응 메커니즘 및 촉매 활성 부위가 명확히 밝혀지지 않아 고성능 촉매를 개발하는데 여전한 큰 걸림돌이 돼 왔다.
우리 대학 화학과 박정영 교수 연구팀이 이산화탄소(CO2) 전기환원 과정에서 단원자 구리(Cu) 금속 촉매가 분해되는 과정을 실시간 원자단위로 관찰하고, 주된 반응 활성자리임을 규명하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.
전기화학 반응을 이용한 이산화탄소 전환 기술은 공정과 반응 조건이 비교적 간단하면서도 특히 구리 기반 촉매를 사용하면 열역학적 방법으로는 불가능한 고부가가치 화합물을 생산할 수 있어 연구활용 가치 기대가 매우 높다. 하지만, 이산화탄소의 환원반응은 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 에탄올(C2H5OH), 수소(H2) 등의 다양한 생성물들을 함께 만들어 낼 뿐만 아니라 촉매 표면 구조의 변화를 일으킨다는 문제점이 함께 한다. 따라서, 이를 해결하기 위해 전극 표면에서 일어나는 이산화탄소의 환원반응 경로 규명 및 표면 구조 거동 분석이 매우 중요해지고 있으나 액체 전해질 환경에서 반응이 이루어지는 탓에 분석에 어려움을 겪고 있다.
박 교수 연구팀은 전기화학 주사 터널링 현미경(EC-STM) 분석법을 적용해 단원자 구리금속 촉매 표면에서 일어나는 이산화탄소 환원반응을 관찰하고, 이때 표면에 형성되는 산화구리 나노 복합체가 주된 반응 활성자리임을 시각적 증거로 처음 제시했다. 연구진은 구리 전극 표면이 이산화탄소 전환과정에서 환원되며 반응 활성도 및 촉매 표면 구조가 달라진다는 점에 착안, 액체-고체 계면에서 단원자 구리금속 촉매 전극과 반응하는 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 원자단위로 포착했다.
우리 대학 박정영 교수는 “이번 연구는 액체-고체 계면 분석에 난항을 겪고 있는 상황에서 단원자 구리금속 기반 촉매 표면의 이산화탄소 전기환원 반응 현상을 원자수준으로 관찰할 수 있었고, 이를 통해 촉매 물질의 활성자리를 결정하고 정밀한 화학반응 경로 설계가 가능하다. 이러한 기술성과는 차후에 이산화탄소의 전기화학적 전환 연구 외에도 탄소중립 정책을 위한 다양한 촉매 소재 연구개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
한편, 기초과학연구원, 한국과학기술연구원(KIST), 한국산업통상자원부 그리고 한국연구재단(NRF)의 지원을 받은 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science IF 17.5)’내부 표지 논문으로 최근 선정됐으며 11월 29일 자로 온라인 게재됐다. (논문 제목: In Situ Probing of CO2 Reduction on Cu-Phthalocyanine-Derived CuxO Complex)
2023.12.28 조회수 3618 -
이산화탄소에서 바이오 플라스틱 20배 이상 뽑아내다
전 세계적으로 기후변화 문제가 심각해짐에 따라 이를 기후 위기로 인식하고 이에 대응하는 적극적인 관심과 노력이 요구되고 있다. 그중 이산화탄소를 활용해 재자원화하는 여러 방법 중에서 전기화학적 이산화탄소 전환 기술은 전기에너지를 이용해 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환할 수 있는 기술이다. 이는 설비 운용이 용이하고, 태양 전지나 풍력에 의해 생산된 재생 가능한 전기에너지를 이용할 수 있으므로 온실가스 감축 및 탄소 중립 달성에 기여하는 친환경 기술로 많은 관심을 받고 있다.
우리 대학 생명화학공학과 이현주 교수와 이상엽 특훈교수 공동연구팀이 전기화학적 이산화탄소 전환과 미생물 기반의 바이오 전환을 연계한 하이브리드 시스템을 개발해 이산화탄소로부터 높은 효율로 바이오 플라스틱을 생산하는 기술 개발에 성공했다고 30일 밝혔다. 유사한 시스템 대비 20배 이상의 세계 최고 생산성을 보여준 해당 연구 결과는 국제 학술지인 ‘미국국립과학원회보(PNAS)'에 3월 27일 字 온라인 게재됐다.
※ 논문명 : Biohybrid CO2 electrolysis for the direct synthesis of polyesters from CO2
※ 저자 정보 : 이현주 (한국과학기술원, 교신저자), 이상엽(한국과학기술원, 교신저자), 임진규(한국과학기술원, 현 소속 기관 Stanford Linear Accelerator Center, 공동 제1저자), 최소영(한국과학기술원, 공동 제1저자), 이재원(한국과학기술원, 공동 제1저자) - 총 5명
이산화탄소의 효율적인 전환을 위해 고효율 전극 촉매 및 시스템 개발이 활발히 진행되고 있는데, 전환생성물로는 주로 탄소 1~3개의 화합물만이 제한적으로 생산되고 있다. 일산화탄소, 포름산, 에틸렌과 같은 탄소 1개의 화합물이 비교적 높은 효율로 생산되며, 이 밖에 에탄올, 아세트산, 프로판올과 같은 여러 개 탄소의 액상 화합물도 만들어질 수 있으나 이는 더 많은 전자를 필요로 하는 화학반응 특성상 전환 효율 및 생성물 선택성이 크게 낮다는 한계점이 있다.
이에 우리 대학 생명화학공학과 이현주 교수와 이상엽 특훈교수 공동연구팀은 전기화학적 이산화탄소 전환 기술과 미생물을 이용한 바이오 전환 기술을 연계해 이산화탄소로부터 바이오 플라스틱을 생산하는 기술을 개발했다. 이 전기화학-바이오 하이브리드 시스템은 전기화학 전환반응이 일어나는 전해조와 미생물 배양이 이루어지는 발효조가 연결된 형태로, 전해조에서 이산화탄소가 포름산으로 전환되면, 이 포름산을 발효조에 공급해 커프리아비더스 네케이터(Cupriavidus necator)라는 미생물이 탄소원으로 섭취해 미생물 유래 바이오 플라스틱인 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA)를 생산한다.
기존 이러한 하이브리드 콘셉트의 연구 결과에 따르면, 전기화학 반응의 낮은 효율 및 미생물 배양 조건과의 차이 등의 문제로 생산성이 매우 낮거나 비연속적 공정에 그친다는 단점이 있었다.
이를 극복하기 위해 공동연구팀은 기체 상태의 이산화탄소를 이용한 기체 확산 전극(gas diffusion electrode)으로 포름산을 만들었다. 그리고 미생물의 생장을 저해하지 않으면서도 전기화학 반응이 충분히 잘 일어나도록 하는 전해액이자 동시에 미생물 배양 배지로 이용할 수 있는 ‘생리적 호환 가능한 양극 전해액(physiologically compatible catholyte)’을 개발하여 별도의 분리 및 정제과정 없이 바로 미생물에게 공급하도록 했다. 이를 통해 이산화탄소로부터 만들어진 포름산을 포함하고 있는 전해액이 발효조로 들어가 미생물 배양에 쓰이고, 전해조로 들어가 순환되도록 하여 전해액과 남은 포름산의 활용을 극대화했다. 또한, 이 과정에서 필터를 설치해 전극 반응에 영향을 줄 수 있는 미생물이 걸러진 전해액만이 전해조로 공급되고 미생물은 발효조 안에만 존재하도록 하는 두 시스템이 잘 연계되면서도 효율적으로 작동되도록 설계했다.
개발한 하이브리드 시스템을 통해 이산화탄소로부터 세포 건조 중량의 83%에 달하는 높은 함량의 바이오 플라스틱(PHB)를 생산했으며, 이는 4 cm2 전극에서 1.38g의 PHB를 생산한 결과로 세계 최초 그램(g) 수준의 생산이며 기존 연구 대비 20배 이상의 생산성이다. 또한 해당 하이브리드 시스템은 연속 배양(continuous culture)의 가능성을 보여줌으로써 추후 다양한 산업공정으로의 응용 또한 기대된다.
교신저자인 이현주 교수와 이상엽 특훈교수는 “이번 연구 결과는 바이오 플라스틱뿐만 아니라 다양한 화학물질 생산에 응용될 수 있는 기술로서 앞으로 탄소 중립을 위한 핵심 기술로 많은 활용이 기대된다”라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 이산화탄소 저감 촉매 및 에너지 소자 기술 개발 과제, 불균일계 원자 촉매 제어 과제와 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발 과제의 지원을 받아 수행됐다.
2023.03.30 조회수 7451 -
일산화질소로부터 암모니아 생산하는 고효율 전기화학 기술 개발
발전소, 산업 시설 등에서 배출되는 배기가스 내 주요 대기오염 물질인 일산화질소(NO)로부터 암모니아를 생산하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 대기 중에서 초미세먼지를 유발하는 골칫거리인 일산화질소를 사용해 최근 수소 저장체로 주목받는 암모니아를 생산한 것이다.
우리 대학 건설및환경공학과 한종인 교수 연구팀이 UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 권영국 교수팀, 한국화학연구원(원장 이미혜) 환경자원연구센터 김동연 박사와 함께 일산화질소로부터 암모니아를 생산하는 고효율 전기화학 시스템을 개발했다고 23일 밝혔다. 개발된 시스템은 비싼 귀금속 촉매 대신 값싼 철 촉매를 이용해 상온 및 상압 조건에서 세계 최고 수준의 전기화학적 암모니아 생산 속도를 기록했다.
일산화질소는 발전소, 산업용 보일러, 제철소 등 연소시설에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 대부분(95% 이상)을 차지하고 있는 유해 가스로, 호흡기 질환을 유발할 뿐만 아니라 산성비 및 대기 중 오존을 생성해 배출량이 엄격히 규제되고 있다. 현재 대부분의 처리 기술은 일산화질소의 단순 제거에만 초점을 맞추고 있지만 한 교수팀은 버려지는 일산화질소의 가치에 주목했다. 일산화질소의 높은 반응성을 이용해 적은 에너지만으로 유용 자원인 암모니아 생산의 가능성을 본 것이다.
연구팀은 물에 잘 녹지 않는 일산화질소의 한계를 극복하기 위해 기존의철-킬레이트를 포함한 일산화질소 흡수제를 사용하는 방식 대신 기체를 직접적으로 전극에 주입하는 기체 확산 전극을 사용해 물질전달 속도를 획기적으로 늘렸다. 이로써 공정에 소모되는 화학약품 비용을 줄이고 전기화학 셀 운전 시 발생하는 폐수 처리를 간편화했다.
나노 크기의 철 촉매를 전극에 도포해 부반응을 억제하고 암모니아에 대한 생성물의 선택도를 확보했으며, 전기화학적 암모니아 생산 성능을 결정하는 중요한 지표인 암모니아 생산 속도는 1,236μmolcm-2h-1를 기록했다. 이는 기존의 질소 기체(N2)를 활용한 전기화학적 암모니아 생산 속도 범위인 10μmolcm-2h-1을 100배 이상 넘어선 수준이다.
이러한 접근법은 대부분의 전기화학 반응에서 100%의 순수한 원료 기체를 필요로 하는 것과 달리 사용되는 일산화질소 가스의 농도를 1~10%까지 낮출 수 있어 해당 기술의 현장 적용성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
또한 기존의 암모니아 생산 공정인 하버-보쉬법이 섭씨 400도, 200기압 이상의 고에너지 조건을 요구하는 데 반해, 연구팀이 개발한 전기화학 시스템은 상온 및 상압 조건에서 암모니아 생산이 가능해 공정 설비와 비용 부담을 크게 줄일 수 있을 전망이다.
이번 연구를 주도적으로 진행한 한 교수 연구팀의 천선정 박사과정 학생은 "최근 대기오염, 탄소 중립 등의 이슈가 꾸준히 확산하는 가운데 지속할 수 있는 기술 개발에 대한 중요성이 커지고 있다ˮ며 "대기오염의 원인을 효과적으로 제거하는 동시에 탄소배출이 없는 암모니아 연료를 생산해 새로운 관점으로 환경문제를 해결하고자 했다ˮ고 말했다.
우리 대학 천선정 박사과정, 창원대학교 김원준 교수가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구성과는 저명 국제 학술지인 `ACS 에너지 레터스(Energy Letters)'에 3월 11일 자로 출판됐으며, 속표지논문으로 선정됐다. (논문명: Electro-synthesis of ammonia from dilute nitric oxide on a gas diffusion electrode).
한편 이번 연구는 한국에너지기술평가원, 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다.
2022.03.24 조회수 10303 -
전기화학 분야의 오랜 난제인 전기 이중층 구조 규명
우리 대학 화학과 김형준 교수 연구팀이 GIST 신소재공학부 최창혁 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 전기화학 분야의 오랜 난제 중 하나인 전기 이중층 구조를 이론적으로 규명하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.
태양광 발전 등 친환경적으로 생산된 전기를 화학연료의 형태로 변환 및 저장하는 기술은 현재 인류가 직면하고 있는 에너지-환경 문제를 해결할 수 있는 가장 효율적인 미래전략이다. 2019년 리튬이온 배터리의 노벨 화학상 수상에서도 볼 수 있듯이, 전기화학 기술은 이러한 지속 가능한 탄소 중립 사회의 구축에 있어 가장 중요한 코어 기술로 여겨진다. 그러나 전기화학 분야에서 교과서에도 등장하는 100년 가까운 오래된 난제 중 하나가 있는데, 이는 바로 `전기 이중층'이라 불리는 특별한 액체 구조를 밝혀내는 것이다.
전기 이중층은 전기를 가한 금속 전극 주변에 액체 속의 이온이 쌓이면서 생성되는 특이한 층 구조를 의미한다. 이 구조적 특성에 따라 에너지 변환/저장 성능이 결정되기 때문에, 전기 이중층의 구조를 밝히려는 노력이 오랫동안 이어져 왔다. 그러나 전기 이중층은 금속 전극과 액체 전해질 사이 계면에 파묻혀 생성되는 나노 크기 정도 공간 속, 물과 이온들의 복잡한 배열을 가지는 구조이기 때문에 이를 직접 관측하기란 거의 불가능에 가까웠으며 지난 수십 년간 난제의 풀이에 대한 뚜렷한 진보를 이룰 수 없었다.
김형준 교수 연구팀은 컴퓨터 속 디지털 세상에 전기 이중층을 구현해 이러한 실험적 한계를 돌파하고자 했다. 양자 역학 및 분자동역학에 기반한 높은 정확도의 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 개발해 그동안 베일에 싸여있던 전기 이중층 구조를 규명하는 데 성공했다. 이러한 가상공간에서의 결과는 GIST 최창혁 교수 연구팀이 실제로 실험에서 측정한 전기 이중층의 물리적 특성을 정확하게 예측할 수 있었다. 더 나아가 이러한 지식의 진보를 바탕으로, `주인-손님 화학' (특정 `손님' 분자만을 선택적으로 받아들이는 `주인' 분자의 특이한 화학적 성질을 의미)이라는 특별한 화학 반응을 활용해 전기 이중층 구조를 실제로 제어할 수 있는 전략을 도출했으며, 이를 통해 탄소 저감에 중요한 전기화학적 이산화탄소의 연료화 반응 효율 제어에 성공했다.
연구진은 "이번 연구를 통해 전기화학 분야의 오래된 난제인 전기 이중층 구조를 규명하는 데 성공했을 뿐만 아니라, 궁극적으로 이를 제어해 친환경 전기 에너지의 변환 및 저장 성능을 획기적으로 높일 가능성에 첫 단추를 끼웠다ˮ며, 이어 "이번 연구를 시발점으로 연료전지, 배터리, 질소 고정화 등 인류의 생존에 꼭 필요한 신 전기화학 기술 개발을 위한 연구를 지속하겠다ˮ고 소감을 밝혔다.
우리 대학 화학과 신승재 박사과정 학생과 GIST 신소재공학부 김동현, 배근수 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 에 1월 10일 字 게재됐다. (논문명: On the importance of the electric double layer structure in aqueous electrocatalysis)
한편 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성사업 및 한국연구재단(NRF)의 지원으로 진행됐다.
2022.01.27 조회수 12026 -
고체 전해질 내부 나노 단위 영상화 성공
오늘날 리튬이온전지는 휴대용 전자 장비와 전기차를 비롯한 각종 이동 수단에 필수적인 에너지 저장 매체로 사용되고 있다. 폭발적인 수요에 발맞춰 리튬이온전지의 에너지 용량, 충전 속도 등의 전기화학적 특성을 향상하려는 연구들이 가속화되고 있다.
그러나 기존의 전기화학 특성 평가 방법은 소재 혹은 소자 특성의 평균값을 측정하는 것에 집중되어 있기에, 나노미터 수준의 미시세계에서 벌어지고 있는 현상들을 이해하기에는 충분하지 않다. 따라서 전기화학 특성에 대한 통합적인 이해를 위해 미시적 수준에서 공간 분해능을 가진 분석 기술의 개발은 필수적이다.
우리 대학 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 원자간력 현미경(Atomic force microscope, AFM)의 한 모드인 전기화학 변위 현미경(Electrochemical strain microscopy, ESM)을 이용해 리튬이온전지 소재 내부의 이온 이동 특성을 나노미터 수준에서 정량적으로 측정하는 방법을 개발했다고 13일 밝혔다.
전기화학 변위 현미경은 나노 크기의 탐침에 전압을 가했을 때, 이온의 이동이 유발하는 시료 표면의 변형(displacement)을 측정하는 기술로서 이 변형을 발생시킨 이온의 양과 이온의 이동도 등을 간접적으로 측정할 수 있게 도와주는 기술이다.
홍 교수 연구팀은 비행시간형 2차 이온 질량 분석법(Time-of-flight secondary ion mass spectroscopy, ToF-SIMS)과 유도결합 플라즈마 분광분석기(Inductively coupled plasma optical emission spectrometer, ICP-OES)를 이용해 고체 전해질 시료의 깊이에 따른 이온 분포를 정량적으로 계산하고, 전기화학 변위 현미경 결과와의 캘리브레이션(calibration, 계측기 등의 눈금을 표준기 등을 사용해 바로잡는 일)에 성공했다.
이후, 연구진에 의해 고안된 직류 전압 펄스(pulse)를 시료의 깊이에 따라 가했으며, 전기장에 의해 표면으로 이동했다가 다시 내부 쪽으로 확산하는 이온을 전기화학 변위 현미경으로 영상화했다. 특히, 해당 펄스를 설계하는 과정에서 기존 전기화학 변위 현미경 사용에 대한 오류를 지적하고, 개선된 사용 방법에 대해 안내했다. 그 결과, 연구팀은 시간 및 거리의 함수로 이온의 이동 과정을 영상화하는 데 성공했으며, 이 결과를 이용해 깊이 및 이온의 농도에 따라 변화하는 확산계수 값을 정량적으로 보여줬다.
홍승범 교수는 "이온의 움직임을 나노미터 수준에서 정량적으로 관찰할 수 있는 방법론이 다양한 이온 거동의 메커니즘을 규명하는데 기여할 것ˮ이라며, "추후 다양한 실제 소자 구동 환경을 모사한 상태에서 이번 방법론을 적용하는 후속 연구를 진행할 것ˮ이라고 설명했다.
우리 대학 신소재공학과 박건 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ACS 어플라이드 에너지 머티리얼스(ACS Applied Energy Materials)에 게재됐다. (논문명: Quantitative Measurement of Li-Ion Concentration and Diffusivity in Solid-State Electrolyte)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 거대과학연구개발사업 및 KAIST 글로벌특이점연구 지원으로 수행됐다.
2021.04.13 조회수 60831 -
원자 틈 이용해 이산화탄소의 연료 변환 성공
신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 성균관대, UNIST, 부산대, 미국 버클리대학, 칼텍과의 공동 연구를 통해 구리 입자 내 원자의 틈을 제어하는 기술을 적용해 온실가스인 이산화탄소를 에틸렌 등의 고부가 연료로 변환할 수 있는 전기화학촉매 소재기술을 개발했다.
이는 이산화탄소로부터 에틸렌 생성비율을 최고 80%까지 높이는 기술로, 연구팀은 기존 나노입자기반 촉매의 한계를 뛰어넘기 위해 원자수준의 촉매제어 기술을 도입했다. 이번 연구결과는 기존 촉매소재 설계에서 제시되지 않은 ‘원자 틈’을 처음으로 촉매설계의 주요인자로 적용해 산업적 가치가 높은 에틸렌의 생산성을 획기적으로 높였다. 동시에 천연가스에서 손쉽게 얻을 수 있는 메탄의 생성을 실험적으로 완전히 억제했으며, 양자역학 계산 기술을 이용해 원자 틈의 촉매반응 활성 원리를 이론적으로 규명했다.
이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials)’ 3월 10일자에 표지논문으로 게재 됐다. (논문명: Atomic-Scale Spacing between Copper Facets for the Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide)
전기화학적 촉매반응을 활용한 이산화탄소 변환 기술은 지구 온난화를 일으키는 이산화탄소를 저감하는 대표 기술 중의 하나로, 효율적인 이산화탄소 전환 촉매기술의 개발을 통해 대기 중의 이산화탄소 농도를 줄이면서 산업에 유용한 연료나 화합물을 생산하는 기술이다. 이산화탄소 전환을 위해 다양한 전이금속 기반의 전기화학 촉매가 개발되고 있으나, 에틸렌과 같은 탄화수소 계열의 연료를 생산할 수 있는 원소는 구리가 유일하다.
하지만 일반적으로 구리 촉매는 반응 속도 및 생성물의 선택성이 높지 않아 이산화탄소 저감의 실효성과 생성물의 경제성이 떨어졌다. 이를 해결하기 위해 구리촉매의 특성을 개선하려는 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
연구팀은 산화된 구리의 환원반응을 전기화학적으로 미세하게 제어해 구리 결정면 사이에 1나노미터 미만의 좁은 틈을 생성했다. 이 원자 틈에서 이산화탄소 환원반응 중간생성물의 촉매표면 흡착에너지를 최적화해 촉매반응의 활성을 극대화했다. 동시에 탄소-탄소 결합을 유도해 에틸렌과 같은 고부가 화합물이 효율적으로 생산되는 것을 규명했다. 연구에서 제안한 신규 활성인자인 원자 틈 원리는 다양한 전기화학 촉매 연구 분야로 확장할 수 있다는 의의를 갖는다.
강정구 교수는 “구리 기반 촉매소재에 간단한 공정 처리기술을 도입해 온실가스인 이산화탄소를 전환함으로써 고부가 화합물인 에틸렌을 효율적으로 생산하는 소재기술이다”라며, “기후변화 및 온실가스 문제 대응을 위한 핵심 대안기술이 될 수 있을 것으로 전망한다”라고 말했다.
이번 연구는 강정구 교수, 성균관대학교 정형모 교수, UNIST 권영국 교수, 부산대 김광호 교수, 그리고 미국 버클리, 칼텍 연구팀과 공동연구를 통해서 이뤄졌으며, 과학기술정보통신부의 글로벌프론티어사업, 신진연구자지원사업 및 차세대탄소자원화사업단의 지원을 받아 수행됐다.
2020.03.16 조회수 18139 -
이산화탄소 환원 나노구조 촉매 개발
신소재공학과 전석우 교수와 오지훈 교수 연구팀이 이산화탄소의 전기화학 환원 반응 시 발생하는 물질이동의 한계를 극복해 값 비싼 금 촉매의 사용을 효과적으로 줄일 수 있는 3차원 나노구조 촉매를 개발했다.
연구팀은 두 가지 크기의 기공 네트워크를 지닌 계층 다공성 나노 구조를 이용해 이산화탄소에서 일산화탄소로의 전환율을 기존 나노 구조 촉매 대비 최대 3.96 배 높일 수 있는 촉매 디자인을 제시했다.
현가예 박사과정과 송준태 교수가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘미국 국립과학원회보(PNAS)’ 3월 4일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Hierarchically Porous Au Nanostructures with Interconnected Channels for Efficient Mass Transport in Electrocatalytic CO2 Reduction)
최근 이산화탄소의 배출과 화석 연료 고갈이 심화됨에 따라 이산화탄소를 재활용해 유용한 화합물로 전기 화학적 전환하는 연구가 주목받고 있다. 이산화탄소 환원 반응은 유사한 산화환원 전위를 갖는 수소 생산 반응과 경쟁적으로 일어나는 문제점이 있어, 원하는 화합물로 선택도를 높이고 활성 부위를 극대화해 높은 전환율을 얻기 위한 금속 나노 구조 촉매 개발이 활발히 진행 중이다.
이산화탄소에서 일산화탄소로의 전환 반응 촉매 중 금은 가장 우수한 성능을 보이지만 값이 매우 비싸 실제 적용을 위해서는 나노 구조를 형성하는 등의 방법을 통해 적은 양의 금을 활용하는 것이 이상적이다.
하지만 기존 연구에서 보고된 나노 구조는 복잡하게 엉킨 촉매 구조로 인해 수계 반응을 통해 생성되는 일산화탄소 기포가 반응 도중 쉽게 구조를 막아 활성 부위를 차단하고, 전해질을 통한 반응물의 이동도 어렵게 해 촉매의 생산성을 떨어뜨린다.
연구팀은 문제 해결을 위해 정렬된 3차원 나노 구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝(PnP, Proximity-field nanopatterning)과 전기 도금 기술을 이용해, 약 10나노미터 크기의 나노 기공과 200~300나노미터 크기의 매크로 기공이 주기적으로 연결된 채널을 포함하는 3차원 계층 다공성 금 나노 구조를 대면적으로 제작했다.
그 결과, 계층 나노 구조 촉매는 나노 기공을 통해 높은 일산화탄소 생산 선택도를 달성함과 동시에 주기적으로 배열된 매크로 기공 채널을 통해 효율적인 물질이동을 유도함으로써, 높은 질량당 전환율을 달성해 값 비싼 금의 사용을 효과적으로 줄일 수 있는 해결 방안을 제시했다.
또한, 3차원 나노 구조 금 촉매의 기공 크기와 분포가 조절 된 서로 다른 세 가지 나노 구조 촉매를 통해 기공 네트워크와 반응물, 생성물의 확산에 미치는 영향을 구조적 관점에서 조사했다.
이 기술은 이산화탄소 환원 촉매 연구 뿐 아니라 유사 전기화학 분야에서 발생하는 물질이동 문제를 해결하고 효율적인 촉매활용을 위한 폭넓은 응용이 가능할 것으로 기대된다.
이번 연구는 한국연구재단 원천기술개발사업의 미래소재디스커버리 사업과 나노소재원천기술개발사업, 그리고 이공분야기초개발사업의 지원을 통해 수행됐다.
2020.03.10 조회수 14312 -
오지훈 교수, 이산화탄소 90%이상 분해 가능한 광전극 구조 개발
우리 대학 EEWS 대학원 오지훈 교수 연구팀이 빛을 이용해 이산화탄소를 분해하기 위한 금 나노 다공성 박막과 실리콘(Silicon) 기반의 새로운 광전극 구조를 개발했다.
광전기화학적 이산화탄소 변환은 태양광 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 연료로 바꿔주는 기술로 많은 주목을 받고 있다. 연구팀이 개발한 기술은 이를 위한 반도체 광전극 구조의 기본 틀을 제공할 것으로 기대된다.
송준태 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 화학, 에너지 및 소재 분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 8일자 내면 표지 논문에 게재됐다.
안정적인 이산화탄소를 환원시키기 위해서는 낮은 과전압을 지닌 우수한 촉매가 필요하다. 그 중 금(Au)은 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시키는 전기 촉매로 알려져 있다.
그러나 금은 과전압이 비교적 높고 일산화탄소 생산성이 낮아 수소가 많이 발생하는 문제점이 있다. 또한 가격이 비싸기 때문에 사용량도 조절을 해야 한다.
연구팀은 문제 해결을 위해 나노 다공성 구조를 갖는 금 박막을 제작하는 데 성공했다. 금을 박막형태로 기판 재료에 증착해 이를 양극산화 처리한 뒤 연속적인 환원 처리를 통해 제작했다.
높은 전류 효율을 보였다. 이전의 나노구조 촉매는 0.1mm의 두꺼운 호일을 이용해 제작됐다면 연구팀의 박막은 약 5만 배 정도 얇은 200나노미터 수준으로서 금 기반 촉매의 제작비용을 최소화했다.
나아가 연구팀은 직접 제작한 나노다공성 금 박막을 촉매로 활용하기 위해 새로운 실리콘(Si) 광전극 구조를 개발했다. 기존 방법인 나노 입자 형태로 반도체 표면에 촉매를 형성하면 전기화학적 처리 과정에서 기판 자체에 영향을 주게 된다.
따라서 연구팀은 금 박막을 표면 전체에 연결될 수 있는 메쉬 패턴 구조로 제작해 광전극에 영향을 주지 않고도 독립적으로 표면의 전극 접합을 통해 전기화학처리를 가능하게 했다.
제작된 광전극은 실리콘에서 생성된 광전압과 금 박막층의 높은 촉매 특성이 작용돼 기존의 일산화탄소 변환을 위해 필요한 에너지보다 더 낮은 양으로도 변환이 가능하다.
오 교수는 “다양한 반도체 및 촉매 재료도 쉽게 적용 가능한 플랫폼 역할을 할 수 있을 것이다”며 “다른 연구자들이 우리 연구팀의 구조를 적용해 이산화탄소 광전환의 광변환 효율을 향상시킬 수 있을 것이다”고 말했다.
1저자인 송준태 박사는 “발상의 전환을 통해 매우 간단하지만 중요한 새로운 타입의 광전극 구조를 개발했고, 이를 통해 효율적인 이산화탄소 환원이 가능해졌다”며 “생성물의 평형 전위보다 더욱 낮은 전위조건에서 이산화탄소 환원을 하는 결과를 낸 것은 처음이다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST EEWS 대학원 정성윤 교수가 공동으로 참여했고 한국이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 게재된 논문 이미지
그림2. 실리콘 광전극 모식도 및 전자현미경 사진
그림3. 제작된 광전극의 광전기화학적 이산화탄소 특성
2017.02.24 조회수 19035 -
우성일, 김형준 교수, 귀금속 성능에 버금가는 육각형 아연촉매 개발
우리 대학 생명화학공학과 우성일 교수와 EEWS 대학원 김형준 교수 공동연구팀이 이산화탄소를 높은 효율로 환원시킬 수 있고 내구성이 강한 육각형 아연 촉매를 개발했다.
연구 결과는 화학분야 학술지 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 6월 28일자 온라인 판에 게재됐다.
이산화탄소는 온실가스로 지구 온난화의 주범으로 알려져 있다. 이산화탄소를 탄소의 자원으로 사용해 연료를 만든다면 기후 문제는 물론 에너지 고갈 문제를 해결할 수 있는 혁신적 기술이 될 것이다.
하지만 이러한 시스템 개발을 위해서는 열역학적으로 안정적인 이산화탄소를 성공적으로 변환시킬 수 있는 촉매를 개발하는 것이 중요하다.
연구팀은 문제 해결을 위해 전기화학적 시스템과 아연을 이용했다. 전기화학적 시스템은 여러 이산화탄소 변환 시스템 중 태양에너지처럼 지속가능한 전기에너지와 결합이 가능하다는 점에서 각광받고 있다.
아연은 이산화탄소 변환 촉매 중 일산화탄소를 선택적으로 생성할 수 있다는 장점과, 같은 특성을 갖는 금, 은에 비해 2만분의 1에 불과한 저렴한 가격 경쟁력을 갖는다. 그러나 부족한 성능으로 인해 많은 주목을 받지 못했다.
연구팀은 아연 촉매의 성능 향상을 위해 화학 반응에 참여하는 부분의 표면적을 최대한 넓혔다. 그리고 흡착에너지를 수월하게 조절할 수 있도록 전기화학적 증착법을 통해 육각형 형태로 배열된 아연 촉매를 제작했다.
육각형이라는 구조적 특성은 효율적인 이산화탄소 변환을 가능하게 했고, 선택적으로 일산화탄소가 생성되고 부산물로 수소가 발생했다. 일산화탄소와 수소는 합성가스(syngas)로서 탄화수소 연료를 생산할 수 있는 유용한 원료이다.
연구팀은 이 육각형 아연 촉매에 가하는 전압에 따라 일산화탄소와 수소 생성 비율을 다양하게 조절할 수 있음을 확인했다. 또한 일산화탄소와 수소를 각각 잘 생성하는 아연의 결정면이 Zn(101)과 Zn(002)임을 밀도범함수이론(density functional theory) 계산을 통해 이론적으로 밝혔다.
향후 이 두 면의 비율을 조절함으로써 원하는 공정이나 생성물의 비율을 얻을 수 있음을 규명했다.
육각형 아연 촉매는 이산화탄소 변환의 반응 선택성을 의미하는 페러데이 효율(Faradaic efficiency)에서 95%를 기록했고, 이 성능이 30시간 이상 지속돼 기존 귀금속을 포함한 모든 일산화탄소 생성 촉매 중 가장 긴 시간 동안의 안정성을 보였다.
연구팀은 태양에너지와 같은 신재생에너지로부터 전기에너지를 얻고, 이산화탄소를 환원시켜 일산화탄소 및 수소를 생성하고 이 합성가스를 피셔-트롭쉬 반응에 직접 이용할 예정이다. 이를 통해 추가적인 이산화탄소 배출 없이도 높은 에너지 밀도를 가진 탄화수소 연료 생산이 가능해진다고 밝혔다.
우 교수는 “생산한 연료들을 연소하면 다시 이산화탄소와 물이 발생하므로 이것이야말로 지속가능한 에너지 생산 시스템이 될 것이다”고 말했다.
생명화학공학과 원다혜 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구는 EEWS대학원의 BK21PLUS 연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 육각형 아연 촉매 위에서의 반응 모식도
그림2. 육각형 아연 촉매의 FE-SEM 이미지
그림3. 장시간 진행된 전기화학적 이산화탄소 환원 반응
그림4. 밀도범함수계산 결과 (Free energy diagram)
2016.07.26 조회수 13546 -
간단하고 저렴한 유전자 진단 기술 개발
- “유전자 진단의 시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있어”- 분석화학분야 세계적 학술지‘아날리스트’4월호 표지논문 선정
우리학교 박현규 생명화학공학과 교수가 전기화학적 활성을 가진 핵산 결합 분자인 메틸렌 블루(Methylene Blue)를 이용해 전기화학적 실시간 중합효소 연쇄 반응(Real-Time PCR) 기술을 개발했다.
현재 유전자 분석 분야에서 가장 널리 사용되고 있는 Real-Time PCR(Polymerase Chain Reaction) 방법은 형광 신호를 이용하기 때문에 고가의 장비와 시약이 사용되는 분석 기술이다.
이에 반해 전기화학적 방법은 사용이 간편하고 가격이 저렴하며, 무엇보다 분석 장치를 소형화 할 수 있는 이점이 있다.
박 교수 연구팀은 산화/환원을 통해 전기화학적인 신호를 발생하는 물질인 메틸렌 블루가 핵산과 결합하면 전기화학적 신호가 감소하는 현상에 착안, 이를 PCR에 적용해 핵산의 증폭 과정을 전기화학적 신호를 통해 실시간으로 검출할 수 있는 전기화학적 Real-Time PCR을 구현하는 데 성공했다.
또한, 이 신호 변화 현상이 메틸렌 블루의 확산 계수와 관련된 것임을 규명해 향후 다양한 방법으로 응용될 수 있는 신호 발생을 기반으로 한 기술도 확립했다.
연구팀은 이를 기반으로 전극이 인쇄된 작은 칩을 제작해 성병 유발 병원균인 클라미디아 트라코마티스(Chlamydia trachomatis)의 유전자를 대상으로 연구를 수행했다.
그 결과 기존 형광 기반의 Real-Time PCR과 거의 동일한 성능을 보였다. 따라서 다양한 질병 진단을 비롯해 다양한 유전자 연구 분야에 적용할 수 있음을 입증했다.
박현규 교수는 “Real-Time PCR 기술이 현재 유전자 진단 분야에서 가장 확실한 분석 방법임에도 불구하고 형광 기반의 분석 방법이다 보니 고가의 검출 장비 및 분석 시약을 필요로 한다”며 “이번 연구 결과로 유전자 진단에 소요되는 시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있다”라고 설명했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단(이사장 오세정)이 시행하는 ‘중견연구자 지원 사업(도약연구)’으로 수행됐으며, 연구의 중요성을 인정받아 분석화학 분야의 세계적인 학술지인 ‘아날리스트(The Analyst)’ 4월호(4월 21일자) 표지논문으로 선정됐다.(끝)
<그림설명>신호 분자 결합에 의한 전기화학적 Real-Time PCR 모식도 (아날리스트 표지)
<용어설명>○ Real-Time PCR (실시간 중합효소연쇄반응): 중합효소연쇄 반응을 통해 증폭되는 핵산을 실시간으로 모니터링을 하고 해석하는 기술
○ PCR: (Polymerase Chain Reaction, 중합효소 연쇄 반응): 현재 유전물질을 조작해 실험하는 거의 모든 과정에 사용되는 검사법으로, 검출을 원하는 특정 표적 유전물질을 증폭하는 방법이다. 1985년에 캐리 멀리스(Kary B. Mullis)에 의해 개발됐다.
○ Chlamydia Trachomatis: 클라미디아 트라코마티스(chlamydia trachomatis)라는 병원균에 의한 성병으로 성적 접촉으로 점염되어 비뇨생식계에 질병을 일으키는 감염증의 가장 흔한 원인균.
2011.04.21 조회수 16809 -
신소재공학과 박종욱 교수팀, 신소재 이용 전기화학식 이산화탄소 계측기 개발
공기중 산화물 이용, 옥외의 열악한 환경에서도 사용 가능
기존 광학방식보다 가격 저렴, 정확한 이산화탄소 농도 측정
습도에 영향 적게 받아 농산물 재배 등에 광범위하게 활용
대덕밸리 창업경진대회 금상, 대한민국창업대전 국무총리상 수상
신소재공학과 박종욱(朴鍾郁, 50) 교수팀이 자체 개발한 신소재를 이용, 전기화학식 이산화탄소 계측기를 개발하는데 성공했다.
이 계측기는 대기 중에 있는 이산화탄소와 선택적으로 반응하는 신소재(전극 보조물질)를 이용, 전기 화학 반응으로 발생하는 전압 상태를 이산화탄소 농도(ppm)로 환산하는 독창적인 원리를 적용했다.
기존의 이산화탄소 계측기는 이산화탄소가 특정 파장(4.26㎛)의 적외선만을 흡수하는 성질을 이용하여 적외선의 흡수 정도를 측정하는 엔디아이알(NDIR / Non-Dispersive Infra red) 광학방식이 주로 사용되었다. 그러나 이 방식은 민감한 광학측정계가 오염에 취약해 옥외의 열악한 환경에서는 사용하기 어려웠으며, 고가로 인하여 대중적인 사용에도 제한이 있었다.
朴 교수팀이 개발한 이 계측기는 공기 중의 산화물을 이용하기 때문에 옥외의 열악한 환경(상대습도 90%)에서도 사용이 가능하며, 광학방식에 비해 가격이 저렴하고, 이산화탄소 농도를 정확히 측정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 간단한 부품의 교환만으로 측정 센서의 교정이 가능해 기존 계측기의 정기적이고 복잡한 측정 센서 교정과정을 대폭 개선했을 뿐만 아니라 초미세 화학공정, 나노 공정에 활용 가능성을 열었다.
이산화탄소 가스는 지구의 온실효과를 유발하는 주범이기 때문에 교토 의정서를 기초로 최근 세계 각국은 이산화탄소세를 신설하여 이산화탄소 총배출량을 규제하고 있다. 반면, 이산화탄소는 농식물 생식 작용과 밀접한 관계가 있어 이산화탄소의 양을 적절히 조절하면 농작물의 질이나 생산성을 혁신적으로 향상시킬 수 있는 장점도 가지고 있다. 예로서 버섯재배의 경우 800-1200 ppm의 이산화탄소를 유지시킬 경우 버섯의 질이나 생산성이 좋아지는 것으로 보고되고 있다.
또한 최근 실내 공기의 질에 대한 인식이 점차 높아지면서 올해부터 우리나라도 빌딩 관리법에 의한 빌딩 내 이산화탄소 양을 1000ppm 이하로 낮추도록 규제하고 있다. 그러나 과도한 환기는 에너지의 낭비를 가져오기 때문에 여러 사람들이 모이는 공공장소나 학교 교실에 이산화탄소 계측기를 설치하여 실내 환기시스템을 효율적으로 운영하는 것이 필요하다.
朴 교수는 “대기오염감시나 실내공기청정화, 농작물 관리 등을 위하여 이산화탄소 계측기 수요가 급속하게 늘고 있으나 수입에만 의존하고 있어 국산화가 시급하다.”며 “이번에 개발한 전기화학식 이산화탄소 계측기는 기존 광방식에 비해 습도에 영향을 거의 받지 않아 농산물 재배 등에 광범위하게 활용될 수 있을 것이다.”고 말했다.
이 이산화탄소 계측기는 대덕 밸리 창업경진대회에서 금상을, 2005 대한민국 창업대전에서 국무총리상을 수상한 바 있다. 현재 국내 특허를 출원한 이 제품의 양산을 위한 실험실 창업을 추진 중에 있다.
2006.01.06 조회수 20717