| 초록 |
□ 연구개요 본 연구에서는 전기화학 이산화탄소 환원 촉매의 C2 화합물 생성 효율 극대화를 위한 예측합성 공정 및 촉매 생산 원천기술 개발을 목표로 함. 전기화학 이산화탄소 환원 촉매가 구동되는 전해질 pH, 환원 전위, 다중 원소 간 산화, 환원 반응성 조건에 따라 촉매 내 원자의 자가확산, 선택적 리독스 반응을 예측하고 이를 다시 촉매 생산 공정에 적용하여 Raw materials에서 Real catalysts로의 직관적인 변화를 유도함. 이를 통해 제어된 활물질을 최적화하여 소재의 기능성을 다양화하고, 이산화탄소 환원 중간 생성물과 직접적으로 반응하는 촉매 내 활성부분의 전하를 부분적으로 다변화하고 활물질 주변 하여 C2 화합물 생산 촉매 효율을 극대화할 수 있음. 본 연구는 이론 예측 플랫폼 개발, 나노소재 촉매 개발, 전기화학 이산화탄소 환원 촉매 응용 항목으로 구성됨. □ 연구 목표대비 연구결과 (1) 이론 계산을 통한 촉매 전기화학 이산화탄소 환원 촉매 전극 설계 기술 개발 ▶ 기체 확산 전극에서 활물질 주변의 이산화탄소 농도 분포에 대한 계산 시뮬레이션을 수행하여 촉매 전극 개발 전 해당 전극 소재의 기능에 대해 예측하고 전기화학 이산화탄소 환원 반응 중 소재의 안정성을 예측하기 위해 환원 전위에서의 금속 이온의 산화, 환원 반응성을 열역학 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 푸베 다이어그램 (Pourbaix diagram)을 계산하는 프로토콜을 구축함. ▶ 촉매 활성 최적화 소재 정보 계산, 전기화학 촉매 열역학 예측 플랫폼 개발의 연구목표를 달성하였음. (2) 고전류밀도 에틸렌 생산 전기화학 이산화탄소 환원 촉매 소재 전극 개발 ▶ 효율적인 촉매 반응 유도를 위해 기체를 선택적으로 흡착하여 활물질 주변의 국부적 CO2 농도를 향상시키고 이를 통해 촉매 반응의 효율 및 전류밀도를 향상시키기 위해 유기-금속골격체 하이브리드 촉매를 개발함. ▶ 구리 및 산화물 이종 결정면 제어 및 합금 다중상 계면 제어 촉매 개발의 연구목표에서 구리/금속 산화 이종 계면 제어 원천 기술을 개발하였음. ▶ 에틸렌 생산 이산화탄소 환원 촉매 목표 달성을 위해 1 A/cm2의 고전류밀도에서 62%의 에틸렌 생산 선택성을 구현하였고 이는 세계 최고 수준의 전기화학 이산화탄소 환원 촉매 성능임. ▶ 에탄올 생산 이산화탄소 환원 촉매 연구의 경우, 본 연구에서 개발된 고전류밀도 c2 화합물 생산 기술을 응용하여 진행할 예정임. (3) 전기화학 이산화탄소 환원 반응 중 실시간 엑스선 흡수 분광법을 통한 촉매 소재 분석 트로토콜 구축 ▶ 전기화학 이산화탄소 환원 반응 중 해당 촉매 소재 내 구리 활물질의 배위수를 분석하기 위해 실시간 엑스선 흡수 분광법 (Operando X-ray Absorption Spectroscopy)을 수행함. 촉매 반응 중 실시간으로 촉매 활물질 원소 주변 배위수, 산화수를 측정하는 기술을 도입하여 계산 결과에서 예상된 현상을 실제 촉매 반응중 소재의 변화를 탐지하는 프로토콜을 구축함. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성) ▶ 대기 오염, 지구 온난화, 화석연료 고갈에서 야기되는 에너지, 환경 문제를 해결할 수 있는 친환경 신재생 에너지 변환 촉매 기술을 개발하여 탄소 중립 구현을 통해 인류의 지속가능한 발전을 도모하는 원천 기술을 개발하였음. ▶ 전기화학 촉매에 필요한 전기화학 반응 중 촉매 활물질 주변 반응 기체의 분포를 예측하고, 전기화학 반응 중 촉매 소재 내 활물질의 안정상을 예측하는 기술 개발을 통해 전기화학 반응에서의 실제 촉매의 구조 및 상을 예측하여, 활성점을 최적화할 수 있는 기술을 개발하였음. 이 뿐만 아니라 계산을 기반으로 한 예측성을 실시간 엑스선 흡수분광법으로 촉매 소재의 거동을 이해하고 피드백하여 신재생 에너지 변환을 위한 촉매 소재 개발 원천기술을 확보하였음. 추후 머신러닝 및 이론계산을 통한 소재 탐색 원천 기술과의 결합이 가능함. ▶ 이산화탄소 환원 반응뿐 아니라 다양한 전기화학 촉매 반응의 성능 최적화를 위한 촉매 소재의 이상적인 구조와 상을 맞춤형으로 제어하고 이를 실제로 구현할 수 있음. (출처 : 연구결과 요약문 2p) |
