널리 분포하는 토양 광물인 α-철(III) 옥시수산화물이 이산화탄소를 포름산으로 광환원하는 재활용 가능한 촉매임이 밝혀졌습니다. (사진 제공: 마에다 카즈히코 교수)
이산화탄소를 광환원시켜 포름산(HCOOH)과 같은 수송 가능한 연료로 전환하는 것은 대기 중 이산화탄소 농도 증가에 대처하는 좋은 방법입니다. 이를 위해 도쿄 공업대학의 연구팀은 쉽게 구할 수 있는 철 기반 광물을 선택하여 알루미나 지지체에 담지함으로써 이산화탄소를 포름산으로 효율적으로 전환할 수 있는 촉매를 개발했는데, 그 선택성은 약 90%에 달합니다!
전기 자동차는 많은 사람들에게 매력적인 선택지이며, 가장 큰 이유는 탄소 배출이 없다는 점입니다. 하지만 많은 사람들에게는 주행 거리가 짧고 충전 시간이 길다는 점이 큰 단점입니다. 바로 이 부분에서 휘발유와 같은 액체 연료가 큰 장점을 발휘합니다. 높은 에너지 밀도 덕분에 주행 거리가 길고 재충전도 빠릅니다.
휘발유나 디젤 대신 다른 액체 연료를 사용하면 액체 연료의 장점을 유지하면서 탄소 배출을 없앨 수 있습니다. 예를 들어 연료 전지에서 포름산은 엔진을 구동하면서 물과 이산화탄소를 배출할 수 있습니다. 하지만 대기 중의 CO2를 HCOOH로 환원시켜 포름산을 생산하는 경우에는 순 배출량은 물뿐입니다.
대기 중 이산화탄소 농도 증가와 그것이 지구 온난화에 미치는 영향은 이제 흔한 뉴스가 되었습니다. 연구자들이 이 문제에 대한 다양한 접근 방식을 실험한 결과, 대기 중 과잉 이산화탄소를 에너지 함량이 높은 화학 물질로 전환하는 효과적인 해결책이 등장했습니다.
최근 햇빛을 이용한 이산화탄소의 광환원 반응을 통해 포름산(HCOOH)과 같은 연료를 생산하는 방식이 주목받고 있습니다. 이 방식은 이산화탄소 배출량을 줄이는 동시에 현재 우리가 직면하고 있는 에너지 부족 문제 해결에도 기여하는 두 가지 이점을 가지고 있기 때문입니다. 높은 에너지 밀도를 지닌 수소 운반체인 포름산은 연소 시 에너지를 공급하면서 부산물로 물만 배출합니다.
이처럼 수익성 높은 해결책을 현실로 만들기 위해 과학자들은 햇빛을 이용하여 이산화탄소를 환원하는 광촉매 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 빛을 흡수하는 기질(즉, 광감응제)과 이산화탄소를 중탄산(HCOOH)으로 환원하는 데 필요한 다중 전자 전달을 가능하게 하는 촉매로 구성됩니다. 그리하여 적합하고 효율적인 촉매를 찾는 연구가 시작되었습니다!
흔히 사용되는 화합물을 이용한 이산화탄소의 광촉매 환원 반응에 대한 인포그래픽. (사진 제공: 마에다 카즈히코 교수)
고체 촉매는 효율성과 재활용 가능성 때문에 이러한 목적에 가장 적합한 후보로 여겨지며, 수년에 걸쳐 코발트, 망간, 니켈 및 철 기반 금속유기골격체(MOF)의 촉매 성능이 연구되어 왔습니다. 그중 철은 다른 금속에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있습니다. 그러나 지금까지 보고된 대부분의 철 기반 촉매는 주 생성물로 일산화탄소만 생성하고 중탄산(HCOOH)은 생성하지 않습니다.
하지만 이 문제는 도쿄 공업대학(Tokyo Tech)의 마에다 카즈히코 교수 연구팀에 의해 신속하게 해결되었습니다. 최근 화학 저널 'Angewandte Chemie'에 발표된 연구에서 연구팀은 α-산화철(III)수산화물(α-FeO₃OH; 괴테석)을 사용한 알루미나(Al₂O₃) 지지 철 기반 촉매를 개발했습니다. 이 새로운 α-FeO₃OH/Al₂O₃ 촉매는 이산화탄소를 중탄산(HCOOH)으로 전환하는 데 탁월한 성능과 우수한 재활용성을 보여줍니다. 촉매 선택에 대해 마에다 교수는 "이산화탄소 광환원 시스템에서 촉매로 더 풍부한 원소를 탐색하고자 했습니다. 활성이 높고, 재활용 가능하며, 무독성이고, 저렴한 고체 촉매가 필요했습니다. 그래서 실험에 괴테석과 같이 토양에 널리 분포하는 광물을 선택했습니다."라고 설명했습니다.
연구팀은 간단한 함침법을 이용하여 촉매를 합성했습니다. 그런 다음 철이 지지된 Al2O3 소재를 사용하여 루테늄 기반(Ru) 광감응제, 전자 공여체 및 400나노미터 이상의 파장을 가진 가시광선 존재 하에 상온에서 CO2를 광촉매적으로 환원시켰습니다.
결과는 매우 고무적입니다. 주 생성물인 HCOOH에 대한 시스템의 선택성은 80~90%였으며, 양자 수율은 4.3%였습니다(이는 시스템의 효율성을 나타냅니다).
본 연구는 효율적인 광감응제와 함께 사용했을 때 HCOOH를 생성할 수 있는 최초의 철 기반 고체 촉매를 제시합니다. 또한 적절한 지지체 물질(Al2O3)의 중요성과 광화학적 환원 반응에 미치는 영향에 대해 논의합니다.
"이번 연구에서 얻은 통찰력은 이산화탄소를 다른 유용한 화학물질로 광환원하는 데 사용할 수 있는 새로운 비귀금속 촉매 개발에 도움이 될 수 있습니다." 마에다 교수는 "우리의 연구는 친환경 에너지 경제로 가는 길이 복잡하지 않다는 것을 보여줍니다. 간단한 촉매 제조 방법으로도 훌륭한 결과를 얻을 수 있으며, 알루미나와 같은 화합물에 담지될 경우 지구상에 풍부한 화합물을 이산화탄소 환원을 위한 선택적 촉매로 사용할 수 있다는 것은 잘 알려진 사실입니다."라고 결론지었습니다.
참고문헌: "가시광선 하에서 CO2 광환원을 위한 재활용 가능한 고체 촉매로서의 알루미나 지지 알파철(III) 옥시수산화물" 안대현, 니시오카 순타 박사, 야스다 슈헤이 박사, 가나자와 토모키 박사, 가마쿠라 요시노부 박사, 요코이 토시유키 교수, 노자와 슌스케 교수, 마에다 카즈히코 교수, 2022년 5월 12일, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
"바로 이런 점에서 휘발유 같은 액체 연료가 큰 장점을 갖습니다. 에너지 밀도가 높아 장거리 주행이 가능하고 재충전도 빠릅니다."
수치로 설명해 주시겠어요? 포름산의 에너지 밀도는 휘발유와 비교했을 때 어떤가요? 화학식에 탄소 원자가 하나밖에 없으니 휘발유에 근접하기는 어려울 것 같은데요.
게다가 냄새가 매우 유독하고 산성이라 휘발유보다 부식성이 강합니다. 이러한 문제들이 해결 불가능한 공학적 문제는 아니지만, 포름산이 주행거리 증가나 배터리 재충전 시간 단축에 상당한 이점을 제공하지 않는 한, 굳이 노력할 가치는 없을 것입니다.
만약 그들이 토양에서 괴테석을 추출할 계획이라면, 이는 에너지 집약적인 채굴 작업이 될 것이며 환경에 잠재적으로 해로울 것입니다.
토양에 괴테석이 많이 함유되어 있다는 언급이 있을 수도 있는데, 제 생각에는 괴테석을 합성하기 위해 필요한 원료를 얻고 반응시키는 데 더 많은 에너지가 필요할 것이기 때문입니다.
전체 과정의 수명 주기를 살펴보고 모든 것에 필요한 에너지 비용을 계산해야 합니다. NASA는 공짜 발사란 없다는 것을 발견했습니다. 다른 기관들도 이 점을 명심해야 합니다.
SciTechDaily: 1998년부터 최고의 기술 뉴스를 제공해 온 곳입니다. 이메일이나 소셜 미디어를 통해 최신 기술 뉴스를 받아보세요.
바비큐의 훈연 향과 매혹적인 풍미를 떠올리는 것만으로도 대부분의 사람들은 군침을 흘립니다. 여름이 왔고, 많은 사람들에게…