일본 가나자와, 2023년 6월 8일 /PRNewswire/ — 가나자와 대학 연구진은 탄소 중립 사회를 위해 초박막 이황화주석 층을 이용하여 이산화탄소의 화학적 환원 속도를 높이는 방법을 발표했습니다.
산업 공정에서 배출되는 이산화탄소(CO2)를 재활용하는 것은 지속 가능하고 탄소 중립적인 사회를 향한 인류의 절박한 노력에 필수적입니다. 이러한 이유로 CO2를 다른 무해한 화학 물질로 효율적으로 전환할 수 있는 전기 촉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 2차원(2D) 금속 디칼코게나이드 계열 물질은 CO2 전환용 전기 촉매 후보 물질이지만, 종종 경쟁 반응을 촉진하여 효율을 저하시키는 문제가 있습니다. 가나자와대학교 나노생물과학연구소(WPI-NanoLSI)의 야스후미 타카하시 연구팀은 천연 물질뿐 아니라 화학 합성을 통해 생성된 중간 생성물인 포름산으로 CO2를 효과적으로 환원할 수 있는 2차원 금속 디칼코게나이드를 발견했습니다.
다카하시와 그의 동료들은 2차원 이황화물(MoS2)과 주석 이황화물(SnS2)의 촉매 활성을 비교했습니다. 두 물질 모두 2차원 금속 이황화물이며, 특히 SnS2는 순수 주석이 포름산 생산 촉매로 알려져 있어 주목할 만합니다. 이들 화합물에 대한 전기화학적 테스트 결과, MoS2를 사용했을 때 이산화탄소 환원 반응 대신 수소 발생 반응(HER)이 촉진되는 것으로 나타났습니다. HER은 수소를 생성하는 반응으로, 수소 연료 생산에 유용하지만 이산화탄소 환원 반응과는 경쟁하는 바람직하지 않은 반응입니다. 반면, SnS2는 우수한 이산화탄소 환원 활성을 보였으며 HER은 억제했습니다. 연구진은 또한 벌크 SnS2 분말에 대한 전기화학적 측정 결과, 이산화탄소 환원 반응에서 MoS2보다 활성이 낮다는 것을 확인했습니다.
SnS2에서 촉매 활성 부위가 어디에 위치하는지, 그리고 2차원 물질이 벌크 화합물보다 우수한 성능을 보이는 이유를 이해하기 위해 연구진은 스캐닝 셀 전기화학 현미경(SECCM)이라는 기술을 사용했습니다. SECCM은 나노피펫처럼 사용되어 시료 표면 반응에 민감한 프로브를 위한 나노 크기의 메니스커스 모양 전기화학 셀을 형성합니다. 측정 결과, SnS2 시트의 전체 표면이 촉매 활성을 나타내며, 구조 내의 "플랫폼"이나 "가장자리" 부분뿐만 아니라 전체 표면이 활성을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다. 이는 2차원 SnS2가 벌크 SnS2보다 높은 활성을 보이는 이유를 설명해 줍니다.
계산을 통해 발생하는 화학 반응에 대한 더 자세한 정보를 얻을 수 있습니다. 특히, 2D SnS2를 촉매로 사용할 경우 포름산 생성이 에너지적으로 유리한 반응 경로임이 확인되었습니다.
다카하시와 그의 동료들이 발표한 연구 결과는 전기화학적 이산화탄소 환원 응용 분야에서 2차원 전기촉매를 활용하는 데 중요한 진전을 의미합니다. 연구진은 "이러한 결과는 부작용 없이 탄화수소, 알코올, 지방산 및 알켄을 생성하는 이산화탄소의 전기화학적 환원을 위한 2차원 금속 이황화물 전기촉매 전략에 대한 더 나은 이해와 개발을 제공할 것입니다."라고 밝혔습니다.
금속 이황화물의 2차원(2D) 시트(또는 단층)는 MX2형 물질이며, 여기서 M은 몰리브덴(Mo)이나 주석(Sn)과 같은 금속 원자이고, X는 황(C)과 같은 칼코겐 원자입니다. 이 구조는 X 원자 층 위에 M 원자 층이 있고, 그 M 원자 층이 다시 X 원자 층 위에 있는 형태로 표현될 수 있습니다. 2차원 금속 이황화물은 그래핀과 같은 2차원 물질이라는 범주에 속하며, 얇은 구조를 가집니다. 2차원 물질은 종종 벌크(3D) 물질과는 다른 물리적 특성을 나타냅니다.
2차원 금속 디칼코게나이드는 수소 발생 반응(HER)에서 전기 촉매 활성을 나타내는 물질로 연구되어 왔습니다. 그러나 최근 가나자와 대학의 야스후미 타카하시 연구팀은 2차원 금속 디칼코게나이드인 SnS2가 HER 촉매 활성을 나타내지 않는다는 사실을 발견했습니다. 이는 해당 연구의 전략적 맥락에서 매우 중요한 발견입니다.
카와베 유스케, 이토 요시카즈, 호리 유타, 쿠쿠누리 수레시, 시오카와 후미야, 니시우치 토모히코, 사무엘 촌, 가타기리 코스케, 시 제유, 리 치카이, 시게타 야스테루, 다카하시 야스후미. CO2의 전기화학적 전달을 위한 플레이트 1T/1H-SnS2, ACS XX, XXX–XXX(2023).
제목: CO2 배출량 감소를 위한 SnS2 시트의 촉매 활성 연구를 위한 전기화학 현미경 셀 스캐닝 실험.
가나자와대학교 나노생물학연구소(NanoLSI)는 세계적인 국제 연구센터인 문부과학성(MEXT)의 지원 사업의 일환으로 2017년에 설립되었습니다. 이 사업의 목표는 세계적 수준의 연구센터를 육성하는 것입니다. 나노LSI는 생물학적 주사 탐침 현미경 분야의 핵심 지식을 결합하여 생체 분자를 직접 영상화, 분석 및 조작할 수 있는 "나노내시경 기술"을 구축함으로써 질병과 같은 생명 현상을 제어하는 ​​메커니즘을 규명하는 데 주력하고 있습니다.
일본해 연안의 대표적인 종합대학인 가나자와대학교는 1949년 개교 이래 일본 고등교육 및 학술 연구에 크게 기여해 왔습니다. 가나자와대학교는 3개의 단과대학과 17개의 학부로 구성되어 있으며, 의학, 컴퓨터공학, 인문학 등 다양한 학과를 제공합니다.
가나자와대학교는 유구한 역사와 문화를 자랑하는 동해 연안 도시 가나자와에 위치해 있습니다. 가나자와는 봉건 시대(1598~1867)부터 학문적 명성을 떨쳐온 곳입니다. 가나자와대학교는 가쿠마 캠퍼스와 다카라마치 캠퍼스 두 곳으로 나뉘어 있으며, 약 10,200명의 학생이 재학 중이고 그중 600명은 외국인 유학생입니다.
원문 보기: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html