이산화탄소 전기환원을 위한 새로운 촉매 개발

2023년 8월 11일

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중국 과학기술대학교

CCUS(탄소 포집, 활용 및 저장) 기술의 중요한 부분인 탄소 기반 연료 및 화학 물질에 대한 CO2 감소 반응(CO2RR)은 재생 에너지 저장 및 CO2 네거티브 배출 분야에서 광범위한 응용 가능성을 제시합니다.

최근 중국과학원(CAS) 산하 중국과기대(USTC) 국가싱크로트론방사선연구소 Song Li 교수와 He Qun 부연구원이 이끄는 팀은 이 메커니즘에 대한 새로운 이해를 제시했다. 니켈(Ni) 단일 원자 부위의 CO2RR. "효율적인 CO2 전기환원을 위한 비대칭 이질소 배위 니켈 단일 원자 위치"라는 제목의 그들의 연구는 Nature Communications에 게재되었습니다.

이상적인 CO2RR 촉매는 제품에 대한 낮은 과전위와 높은 전류 밀도를 요구합니다. 그러나 금(Au)이나 은(Ag)과 같은 이전 촉매는 가격이 비싸고 전류 밀도가 낮은 특징을 갖고 있으며 일반적으로 Fe, Co, Ni과 같은 Au 및 Ag보다 훨씬 높은 과전위를 나타내어 반응 효율을 제한합니다.

따라서 CO2RR용 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 과전위가 낮고, 전류 밀도가 높으며, 풍부한 3차원 금속 기반 촉매의 개발이 필수적이다. 이러한 과제를 해결하기 위해 연구진은 비대칭 이질소 배위 니켈 단일 원자 촉매(Ni-NC)를 제안했습니다. 사이트의 불포화 및 비대칭 특성을 활용함으로써 전기화학 공정 중 구조적 자체 최적화가 달성되어 CO2RR에서 사이트의 고유 활동이 향상됩니다.

이번 연구에서 연구팀은 이질소 배위(피리딘성 및 피롤성 질소)를 특징으로 하는 Ni-NC를 설계 및 합성한 후 이를 중성 및 알칼리성 매질에서 CO2 전기환원 반응에 활용했습니다. 싱크로트론 방사선 X-선 흡수 스펙트럼 및 방출 스펙트럼은 촉매 내 Ni 부위의 국소 배위 구조를 나타냅니다. 전기화학적 테스트 결과, Ni-NC 촉매는 중성(H형 셀) 전해질과 알칼리성(가스 확산 전극, GDE) 전해질 모두에서 매우 높은 전기화학적 성능을 달성할 수 있는 것으로 나타났습니다.

특히 알칼리성 조건에서 촉매는 -0.15V에서 20.1mA cmgeo-2의 CO 부분 전류 밀도 대 가역적 수소 전극(VRHE)을 달성할 수 있었고, -0.15 ~ -의 전위 범위에서 CO에 대해 90% 이상의 패러데이 효율을 달성할 수 있었습니다. 0.9 VRHE, -1.0 VRHE에서 274,000 사이트-1h-1 이상의 높은 회전율(TOF)로 대부분의 보고된 촉매를 능가합니다.

이 연구는 CO2 전기환원 반응에서 촉매의 역할에 대한 새로운 이해를 제공하고 미래의 CO2 환원 기술에 대한 새로운 시각을 제시할 것을 약속합니다.

추가 정보: Yuzhu Zhou 외, 효율적인 CO2 전기환원을 위한 비대칭 이질소 배위 니켈 단일 원자 위치, Nature Communications(2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39505-2

저널 정보:네이처커뮤니케이션즈

중국과학기술대학교 제공