탄소섬유를 뛰어넘을 유일한 소재인 탄소나노튜브섬유, 상용화 가능한 제조 방법 개발

- 탄소섬유처럼 단단하고, 일반섬유처럼 유연하고, 금속만큼이나 전기전도도 우수 - 우주, 항공 분야 등 여러 분야에 활용될 수 있는 핵심 소재 기술 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 탄소융합소재연구센터 김승민 박사, 기능성복합소재연구센터 정현수 박사, 서울대학교 재료공학부 박종래 교수 공동 연구팀은 기존 탄소나노튜브섬유 제조 방법들의 장점만을 융합하여, 매우 가벼우면서 높은 강도와 전기전도도를 갖는 탄소나노튜브섬유*를 빠르게 제조하는 방법을 개발했다고 밝혔다. *탄소나노튜브섬유(carbon nanotube fiber): 탄소만으로 구성된 원통형의 나노 구조체로 구성된 매크로 섬유 탄소나노튜브는 기존의 소재들이 갖고 있지 못한 우월한 물성을 보유하고 있는 것이 밝혀지며 탄소섬유를 뛰어넘을 수 있는 유일한 소재로 큰 기대를 받았다. 하지만 길이가 밀리미터 수준에도 미치지 못하는 수준으로 매우 짧아 실제 소재로 활용하지는 못하고 있다. 이를 극복하기 위해 볏짚을 꼬듯이 꼬아 섬유화시키는 연구가 진행되고 있다. 탄소나노튜브섬유를 제조하는 방법은 직접방사법**과 습식방사법***으로 분류가 된다. 전 세계 연구자들은 위 두 가지 방식 중 하나에 매진하여 연구하고 있으나 아직까지는 제작된 소재가 기존 소재보다 뛰어나지 못하거나 제조 공정이 복잡하여 상용화되지 못하고 있다. **직접방사법(direct spinning): 탄소나노튜브 합성부터 섬유화까지 한 번에 이루어지는 방식 ***습식방사법(wet spinning): 탄소나노튜브를 용매에 분산해 섬유화 하는 방식 KIST 연구진은 기존 두 가지 탄소나노튜브섬유 제조법의 장점만을 융합하여 새로운 제조 방법을 개발하였다. 직접방사법을 제조하는 방법은 공정이 비교적 간단하지만 만족할 만한 성능이 나오지 않아 후처리 공정이 필요했다. KIST 연구팀은 이 후처리공정에 습식방사법에서 사용되는 용매와 응고방식을 적용시켰다. 이 방법으로 제조된 탄소나노튜브섬유는 탄소섬유만큼이나 단단하고, 금속 소재에 버금가는 전기전도도를 보유하고 있으며, 일반 섬유와 같은 유연성을 갖고 있어 향후 우주, 항공 분야는 물론 웨어러블 전자 소자, 센서, 복합 소재 등 여러 응용 분야에 핵심 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 개발된 제조 방법은 탄소나노튜브의 합성에서부터 섬유화 및 고강도화를 위한 집적화 공정까지 수 분내에 이루어지는 방법으로써, 향후 탄소나노튜브섬유를 상용화하는 데 있어 핵심 기술로 활용될 것으로 보인다. KIST 탄소융합소재연구센터 김승민 박사는 “기존 산업에 사용되는 소재의 물성을 능가할 수 있는 탄소나노튜브섬유를 매우 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제시했다는 데 본 연구의 중요성이 있다”고 강조 하고, "향후 확보된 탄소나노튜브섬유 제조 기술을 더욱 발전시키는 데 매진하겠다"고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 오픈리서치프로그램을 통해 수행되었으며, 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스’(Nature Communications, IF: 11.88, JCR 분야 상위 : 6.52%)에 최신호에 게재 되었다. 또한, 관련 기술은 한국(특허번호: 10-1972987), 미국(특허번호: 10246333)에 특허 등록되었다. *(논문명) ‘Direct spinning and densification method for high-performance carbon nanotube fibers’ - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이재근 박사 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이동명 연구원 - (제 1저자) 서울대학교 정연수 박사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정현수 박사 - (교신저자) 서울대학교 재료공학부 박종래 교수 <그림 설명> [그림 1] 본 연구에서 개발한 방법으로 처리 전(a, b, c), 처리 후 (d, e, f) 탄소나노튜브의 물성비교. (a, d) 비강도 값 비교를 보여주는 인장강도 그래프 (b, e) 섬유내 탄소나노튜브 정렬도 비교를 보여주는 편광라만 데이터 (c, f) 밀집도 비교를 보여주는 주사전자현미경 사진 [그림 2] (a) 본 연구에서 개발된 탄소나노튜브 섬유와 다른 종류의 탄소소재 기반 섬유 및 금속들과 비강도 및 비전기전도도 비교 그림 (b) 본 연구에서 개발된 방식으로 산업적용을 위해 고안한 직접방사법 연속 후처리 공정 모식도

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탄소섬유를 뛰어넘을 유일한 소재인 탄소나노튜브섬유, 상용화 가능한 제조 방법 개발

- 탄소섬유처럼 단단하고, 일반섬유처럼 유연하고, 금속만큼이나 전기전도도 우수 - 우주, 항공 분야 등 여러 분야에 활용될 수 있는 핵심 소재 기술 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 탄소융합소재연구센터 김승민 박사, 기능성복합소재연구센터 정현수 박사, 서울대학교 재료공학부 박종래 교수 공동 연구팀은 기존 탄소나노튜브섬유 제조 방법들의 장점만을 융합하여, 매우 가벼우면서 높은 강도와 전기전도도를 갖는 탄소나노튜브섬유*를 빠르게 제조하는 방법을 개발했다고 밝혔다. *탄소나노튜브섬유(carbon nanotube fiber): 탄소만으로 구성된 원통형의 나노 구조체로 구성된 매크로 섬유 탄소나노튜브는 기존의 소재들이 갖고 있지 못한 우월한 물성을 보유하고 있는 것이 밝혀지며 탄소섬유를 뛰어넘을 수 있는 유일한 소재로 큰 기대를 받았다. 하지만 길이가 밀리미터 수준에도 미치지 못하는 수준으로 매우 짧아 실제 소재로 활용하지는 못하고 있다. 이를 극복하기 위해 볏짚을 꼬듯이 꼬아 섬유화시키는 연구가 진행되고 있다. 탄소나노튜브섬유를 제조하는 방법은 직접방사법**과 습식방사법***으로 분류가 된다. 전 세계 연구자들은 위 두 가지 방식 중 하나에 매진하여 연구하고 있으나 아직까지는 제작된 소재가 기존 소재보다 뛰어나지 못하거나 제조 공정이 복잡하여 상용화되지 못하고 있다. **직접방사법(direct spinning): 탄소나노튜브 합성부터 섬유화까지 한 번에 이루어지는 방식 ***습식방사법(wet spinning): 탄소나노튜브를 용매에 분산해 섬유화 하는 방식 KIST 연구진은 기존 두 가지 탄소나노튜브섬유 제조법의 장점만을 융합하여 새로운 제조 방법을 개발하였다. 직접방사법을 제조하는 방법은 공정이 비교적 간단하지만 만족할 만한 성능이 나오지 않아 후처리 공정이 필요했다. KIST 연구팀은 이 후처리공정에 습식방사법에서 사용되는 용매와 응고방식을 적용시켰다. 이 방법으로 제조된 탄소나노튜브섬유는 탄소섬유만큼이나 단단하고, 금속 소재에 버금가는 전기전도도를 보유하고 있으며, 일반 섬유와 같은 유연성을 갖고 있어 향후 우주, 항공 분야는 물론 웨어러블 전자 소자, 센서, 복합 소재 등 여러 응용 분야에 핵심 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 개발된 제조 방법은 탄소나노튜브의 합성에서부터 섬유화 및 고강도화를 위한 집적화 공정까지 수 분내에 이루어지는 방법으로써, 향후 탄소나노튜브섬유를 상용화하는 데 있어 핵심 기술로 활용될 것으로 보인다. KIST 탄소융합소재연구센터 김승민 박사는 “기존 산업에 사용되는 소재의 물성을 능가할 수 있는 탄소나노튜브섬유를 매우 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제시했다는 데 본 연구의 중요성이 있다”고 강조 하고, "향후 확보된 탄소나노튜브섬유 제조 기술을 더욱 발전시키는 데 매진하겠다"고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 오픈리서치프로그램을 통해 수행되었으며, 세계적 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스’(Nature Communications, IF: 11.88, JCR 분야 상위 : 6.52%)에 최신호에 게재 되었다. 또한, 관련 기술은 한국(특허번호: 10-1972987), 미국(특허번호: 10246333)에 특허 등록되었다. *(논문명) ‘Direct spinning and densification method for high-performance carbon nanotube fibers’ - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이재근 박사 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이동명 연구원 - (제 1저자) 서울대학교 정연수 박사과정 - (교신저자) 한국과학기술연구원 김승민 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정현수 박사 - (교신저자) 서울대학교 재료공학부 박종래 교수 <그림 설명> [그림 1] 본 연구에서 개발한 방법으로 처리 전(a, b, c), 처리 후 (d, e, f) 탄소나노튜브의 물성비교. (a, d) 비강도 값 비교를 보여주는 인장강도 그래프 (b, e) 섬유내 탄소나노튜브 정렬도 비교를 보여주는 편광라만 데이터 (c, f) 밀집도 비교를 보여주는 주사전자현미경 사진 [그림 2] (a) 본 연구에서 개발된 탄소나노튜브 섬유와 다른 종류의 탄소소재 기반 섬유 및 금속들과 비강도 및 비전기전도도 비교 그림 (b) 본 연구에서 개발된 방식으로 산업적용을 위해 고안한 직접방사법 연속 후처리 공정 모식도

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탄소중립 달성, 전략적 접근 필요 - 수소·연료전지연구센터 한종희 책임연구원

지구 온난화가 지구 곳곳에서 현실로 나타나고 있는 이 시점에 탄소중립은 이제 세계적으로 거스를 수 없는 시급한 과제로 떠오르고 있다. 이에 우리 정부도 2050 탄소중립을 선언하고 그 구체적인 달성 전략과 실행 방안을 마련하고 있다. 2018년 우리나라의 온실가스 총배출량은 이산화탄소 환산으로 7억2,700만 톤에 이르고 있고, 이중 약 86%를 차지하는 6억3,200만톤이 에너지 분야에서 배출됐다. 즉 우리나라가 탄소중립을 달성하기 위해서는 에너지 분야의 변화가 필수적이며 매우 중요하다는 것이다. 우리나라는 에너지 다소비의 산업 구조를 가졌으나 아직도 석유와 석탄을 사용하는 탄소 중심의 에너지 체계에 대한 의존도가 높아 탄소중립에 대한 전략 수립과 이의 실행이 매우 시급한 실정이다. 탄소중립을 실현하기 위해서는 효율 향상 등을 통한 에너지 수요 관리와 이산화탄소의 포집·저장·활용 등을 통한 탄소 저감의 추진뿐만 아니라 탄소 중심의 에너지 체계를 무탄소·친환경 에너지 공급체계로 전환하는 일이 무엇보다도 가장 중요하다. 무탄소·친환경 에너지 체계는 태양광, 풍력과 같은 재생에너지의 비중 확대와 이를 수용할 수 있는 전력계통의 혁신이 필요하며, 수소를 에너지 캐리어로 사용하는 수소에너지 체계의 확립이 필요하다. 또한 에너지 믹스의 개선을 통해 여러 가지 무탄소·친환경 에너지원을 환경과 조건에 맞게 개발해 보급해야 할 것이다. 우리나라도 우리 실정을 분석해 가능한 여러 가지 에너지원을 고려를 해 전략을 수립해야 할 것이다. 예를 들어 재생에너지는 탄소중립에 있어 가장 중요한 에너지원이지만, 국내에는 태양에너지, 바람에너지와 같은 재생에너지의 자원도 그리 풍족하지 않다고 알려져 있다. 따라서 수소에너지, 원자력에너지 등 부족한 재생에너지를 보완할 수 있는 다양한 에너지원에 대해서도 신중하게 고려할 필요가 있다. 특히 우리 정부는 수소에너지에 대한 투자를 적극적으로 진행해왔는데 이는 수소의 친환경성, 고갈 걱정이 없는 풍부함, 높은 무게당 에너지 밀도, 다양한 산업과의 연계성 등의 장점 때문이다. 수소에너지라고 하면 재생에너지를 통해 수소를 생산하고 이를 저장하고 수요지까지 운송하고 이를 연료전지에 공급·발전해 전기에너지를 이용하는 수소 전주기 가치사슬을 주로 말한다. 최근 탄소중립과 함께 수소의 또 다른 역할이 주목을 받고 있다. 산업용으로 활용되는 수소의 역할이 그것인데, 철강 산업에 있어서는 이산화탄소를 다량 배출하는 코크스 환원방식에서 코크스를 대신해 철광석을 환원하는 수소환원제철 공법이 주목받고 있으며, 화학산업에서는 필요한 열원의 공급을 수소를 연소해 얻을 뿐만 아니라 장기적으로는 석유, 석탄 또는 천연가스로부터 생산해 사용하고 있는 기초유분 등 화학공정의 원료를 포집된 이산화탄소와 수소를 반응시켜 생산하는 기술을 개발하고 있다. 또한 포집된 이산화탄소와 수소를 반응시켜 항공유, 또는 가솔린 등 수송용 연료, 즉 E-Fuel을 생산하는 방법도 주목을 받고 있다. 이렇게 수소는 에너지뿐만 아니라 많은 산업 분야에서도 탄소중립을 실현하는데 다양한 분야에서 여러 가지 방법으로 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 탄소중립은 우리 후대를 위해 풀어야 할 매우 시급한 과제이며, 경제, 기술, 사회, 문화 등 거의 모든 인간사회에서 변화를 이루어야 하는 매우 도전적인 목표이다. 물론 2050년까지는 30년 가까운 시간이 남아 있지만, 어느 누구도 탄소중립을 쉽게 달성할 수 있다고 생각하지 않는다. 또한 현재 탄소중립을 위해 고려되고 있는 기술들은 지속적으로 발전을 거듭해 30년 후에는 다른 모습을 가지고 있을 것이다. 따라서 현시점이 아니라 30년 후의 모습을 보고 탄소중립의 전략과 실행 방안을 수립해야 한다. 미래의 모습과 기술 발달 추이에 대해서는 어떤 예측도 정확할 수는 없지만 데이터에 기반해 기술 발전 추이를 예측하고 실현 가능성을 판단해 미래에 공헌도가 예측되는 기술들을 많이 포함해 전략을 수립한다면 좋은 전략과 실행 방안이 될 것이다. 현재 정부와 탄소중립위원회에서는 탄소중립을 위한 전략과 실행 방안들을 수립하고 있다고 한다. 물론 앞으로 수정될 기회가 있겠지만 첫 번째 탄소중립 달성을 위한 국가 계획으로 큰 의미를 지닌 이번 전략과 실행 방안이 우리나라를 탄소중립으로 잘 이끌어줄 우수한 전략으로 준비되기를 진심으로 바란다. 출처 : 투데이에너지(http://www.todayenergy.kr)

KIST Opinion

탄소중립을 위한 핵심기술, 대용량 이산화탄소 전환 시스템 개발

- 이산화탄소 전환용 고성능 대면적 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극 - 전기화학적 이상화탄소 전환 스택 시스템 구현을 통한 실용화 기틀 마련 환경오염 없이 이산화탄소를 제거하면서도 석유화학 공정을 통해 얻을 수 있었던 유용한 화학물질을 얻을 수 있는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템은 탄소중립 사회를 만들기 위해 꼭 연구가 필요한 분야이다. 관련 연구는 많은 발전을 해왔지만 대부분 실험실 규모의 연구에 그치고 있어 실제 산업에 적용되기 위해서는 대용량화와 이에 적합한 촉매, 전극 개발 등 해결해야 할 숙제가 많은 분야이기도 하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 청정에너지연구센터 오형석, 황윤정, 이웅희 박사 연구팀이 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에서 높은 효율로 에틸렌 및 에탄올을 얻을 수 있는 성게 모양의 구리 나노촉매 전극을 개발하고 대량생산을 위한 시스템을 개발했다고 밝혔다. KIST 연구진은 플라스틱, 합성 고무, 건축자재 등 다양한 일상 제품을 만들 수 있는 석유계 기초 물질인 에틸렌을 대용량으로 생성할 수 있는 성게 모양의 구리 촉매를 개발했다. 해당 촉매는 성게처럼 불규칙적인 바늘 형태이기 때문에 바늘의 뾰족한 부분에서 촉매활성도가 높아진다. 이 촉매를 사용하면 기존의 구리 촉매에 비해 더 낮은 전압에서도 높은 에틸렌 생성 선택도를 가져 에틸렌 생산량이 50% 이상 향상되었다. 또한, CO2 전환 전지를 여러 개 적층하여 대량생산을 위한 시스템을 제작하여 실용화 가능성을 확인하였다. 연구진은 다양한 실시간 분석(In-situ/Operando analysis)을 통해 반응 중인 촉매의 화학적 특성을 분석한 결과 개발한 촉매에 첨가된 염기성 물질에 의해 수산화구리와 산화구리 성분이 많아져 이산화탄소 전환 효율이 높아지는 것을 확인하였다. 이를 통해 반응 중의 수산화물과 산화물의 비율을 높이는 것이 에틸렌의 생산 효율을 높이는 키임을 밝혀 추후 연구에서 촉매를 디자인하는 방향을 제시했다. KIST 오형석 박사는 “이번 연구는 대면적화가 가능한 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 성능 및 규모를 크게 향상시키고 앞으로의 연구 개발 방향을 제시하였다.”라며, “본 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 차세대 탄소자원화 사업으로 수행되었으며 이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 「Nano Energy」 (IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.299%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Highly selective and stackable electrode design for gaseous CO2 electroreduction to ethylene in a zero-gap configuration - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이웅희 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 오형석 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극을 이용한 이산화탄소 전환 시스템 개요도 [그림 2] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 대용량 스택 시스템의 적용 및 그에 대한 실제 운전 결과 [그림 3] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 전자 현미경(TEM) 사진

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탄소중립을 위한 핵심기술, 대용량 이산화탄소 전환 시스템 개발

- 이산화탄소 전환용 고성능 대면적 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극 - 전기화학적 이상화탄소 전환 스택 시스템 구현을 통한 실용화 기틀 마련 환경오염 없이 이산화탄소를 제거하면서도 석유화학 공정을 통해 얻을 수 있었던 유용한 화학물질을 얻을 수 있는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템은 탄소중립 사회를 만들기 위해 꼭 연구가 필요한 분야이다. 관련 연구는 많은 발전을 해왔지만 대부분 실험실 규모의 연구에 그치고 있어 실제 산업에 적용되기 위해서는 대용량화와 이에 적합한 촉매, 전극 개발 등 해결해야 할 숙제가 많은 분야이기도 하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 청정에너지연구센터 오형석, 황윤정, 이웅희 박사 연구팀이 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에서 높은 효율로 에틸렌 및 에탄올을 얻을 수 있는 성게 모양의 구리 나노촉매 전극을 개발하고 대량생산을 위한 시스템을 개발했다고 밝혔다. KIST 연구진은 플라스틱, 합성 고무, 건축자재 등 다양한 일상 제품을 만들 수 있는 석유계 기초 물질인 에틸렌을 대용량으로 생성할 수 있는 성게 모양의 구리 촉매를 개발했다. 해당 촉매는 성게처럼 불규칙적인 바늘 형태이기 때문에 바늘의 뾰족한 부분에서 촉매활성도가 높아진다. 이 촉매를 사용하면 기존의 구리 촉매에 비해 더 낮은 전압에서도 높은 에틸렌 생성 선택도를 가져 에틸렌 생산량이 50% 이상 향상되었다. 또한, CO2 전환 전지를 여러 개 적층하여 대량생산을 위한 시스템을 제작하여 실용화 가능성을 확인하였다. 연구진은 다양한 실시간 분석(In-situ/Operando analysis)을 통해 반응 중인 촉매의 화학적 특성을 분석한 결과 개발한 촉매에 첨가된 염기성 물질에 의해 수산화구리와 산화구리 성분이 많아져 이산화탄소 전환 효율이 높아지는 것을 확인하였다. 이를 통해 반응 중의 수산화물과 산화물의 비율을 높이는 것이 에틸렌의 생산 효율을 높이는 키임을 밝혀 추후 연구에서 촉매를 디자인하는 방향을 제시했다. KIST 오형석 박사는 “이번 연구는 대면적화가 가능한 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 성능 및 규모를 크게 향상시키고 앞으로의 연구 개발 방향을 제시하였다.”라며, “본 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 차세대 탄소자원화 사업으로 수행되었으며 이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 「Nano Energy」 (IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.299%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Highly selective and stackable electrode design for gaseous CO2 electroreduction to ethylene in a zero-gap configuration - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이웅희 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 오형석 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극을 이용한 이산화탄소 전환 시스템 개요도 [그림 2] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 대용량 스택 시스템의 적용 및 그에 대한 실제 운전 결과 [그림 3] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 전자 현미경(TEM) 사진

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- 이산화탄소 전환용 고성능 대면적 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극 - 전기화학적 이상화탄소 전환 스택 시스템 구현을 통한 실용화 기틀 마련 환경오염 없이 이산화탄소를 제거하면서도 석유화학 공정을 통해 얻을 수 있었던 유용한 화학물질을 얻을 수 있는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템은 탄소중립 사회를 만들기 위해 꼭 연구가 필요한 분야이다. 관련 연구는 많은 발전을 해왔지만 대부분 실험실 규모의 연구에 그치고 있어 실제 산업에 적용되기 위해서는 대용량화와 이에 적합한 촉매, 전극 개발 등 해결해야 할 숙제가 많은 분야이기도 하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 청정에너지연구센터 오형석, 황윤정, 이웅희 박사 연구팀이 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에서 높은 효율로 에틸렌 및 에탄올을 얻을 수 있는 성게 모양의 구리 나노촉매 전극을 개발하고 대량생산을 위한 시스템을 개발했다고 밝혔다. KIST 연구진은 플라스틱, 합성 고무, 건축자재 등 다양한 일상 제품을 만들 수 있는 석유계 기초 물질인 에틸렌을 대용량으로 생성할 수 있는 성게 모양의 구리 촉매를 개발했다. 해당 촉매는 성게처럼 불규칙적인 바늘 형태이기 때문에 바늘의 뾰족한 부분에서 촉매활성도가 높아진다. 이 촉매를 사용하면 기존의 구리 촉매에 비해 더 낮은 전압에서도 높은 에틸렌 생성 선택도를 가져 에틸렌 생산량이 50% 이상 향상되었다. 또한, CO2 전환 전지를 여러 개 적층하여 대량생산을 위한 시스템을 제작하여 실용화 가능성을 확인하였다. 연구진은 다양한 실시간 분석(In-situ/Operando analysis)을 통해 반응 중인 촉매의 화학적 특성을 분석한 결과 개발한 촉매에 첨가된 염기성 물질에 의해 수산화구리와 산화구리 성분이 많아져 이산화탄소 전환 효율이 높아지는 것을 확인하였다. 이를 통해 반응 중의 수산화물과 산화물의 비율을 높이는 것이 에틸렌의 생산 효율을 높이는 키임을 밝혀 추후 연구에서 촉매를 디자인하는 방향을 제시했다. KIST 오형석 박사는 “이번 연구는 대면적화가 가능한 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 성능 및 규모를 크게 향상시키고 앞으로의 연구 개발 방향을 제시하였다.”라며, “본 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 차세대 탄소자원화 사업으로 수행되었으며 이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 「Nano Energy」 (IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.299%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Highly selective and stackable electrode design for gaseous CO2 electroreduction to ethylene in a zero-gap configuration - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이웅희 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 오형석 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극을 이용한 이산화탄소 전환 시스템 개요도 [그림 2] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 대용량 스택 시스템의 적용 및 그에 대한 실제 운전 결과 [그림 3] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 전자 현미경(TEM) 사진

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탄소중립을 위한 핵심기술, 대용량 이산화탄소 전환 시스템 개발

- 이산화탄소 전환용 고성능 대면적 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극 - 전기화학적 이상화탄소 전환 스택 시스템 구현을 통한 실용화 기틀 마련 환경오염 없이 이산화탄소를 제거하면서도 석유화학 공정을 통해 얻을 수 있었던 유용한 화학물질을 얻을 수 있는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템은 탄소중립 사회를 만들기 위해 꼭 연구가 필요한 분야이다. 관련 연구는 많은 발전을 해왔지만 대부분 실험실 규모의 연구에 그치고 있어 실제 산업에 적용되기 위해서는 대용량화와 이에 적합한 촉매, 전극 개발 등 해결해야 할 숙제가 많은 분야이기도 하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 청정에너지연구센터 오형석, 황윤정, 이웅희 박사 연구팀이 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에서 높은 효율로 에틸렌 및 에탄올을 얻을 수 있는 성게 모양의 구리 나노촉매 전극을 개발하고 대량생산을 위한 시스템을 개발했다고 밝혔다. KIST 연구진은 플라스틱, 합성 고무, 건축자재 등 다양한 일상 제품을 만들 수 있는 석유계 기초 물질인 에틸렌을 대용량으로 생성할 수 있는 성게 모양의 구리 촉매를 개발했다. 해당 촉매는 성게처럼 불규칙적인 바늘 형태이기 때문에 바늘의 뾰족한 부분에서 촉매활성도가 높아진다. 이 촉매를 사용하면 기존의 구리 촉매에 비해 더 낮은 전압에서도 높은 에틸렌 생성 선택도를 가져 에틸렌 생산량이 50% 이상 향상되었다. 또한, CO2 전환 전지를 여러 개 적층하여 대량생산을 위한 시스템을 제작하여 실용화 가능성을 확인하였다. 연구진은 다양한 실시간 분석(In-situ/Operando analysis)을 통해 반응 중인 촉매의 화학적 특성을 분석한 결과 개발한 촉매에 첨가된 염기성 물질에 의해 수산화구리와 산화구리 성분이 많아져 이산화탄소 전환 효율이 높아지는 것을 확인하였다. 이를 통해 반응 중의 수산화물과 산화물의 비율을 높이는 것이 에틸렌의 생산 효율을 높이는 키임을 밝혀 추후 연구에서 촉매를 디자인하는 방향을 제시했다. KIST 오형석 박사는 “이번 연구는 대면적화가 가능한 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 성능 및 규모를 크게 향상시키고 앞으로의 연구 개발 방향을 제시하였다.”라며, “본 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 차세대 탄소자원화 사업으로 수행되었으며 이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 「Nano Energy」 (IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.299%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Highly selective and stackable electrode design for gaseous CO2 electroreduction to ethylene in a zero-gap configuration - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이웅희 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 오형석 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극을 이용한 이산화탄소 전환 시스템 개요도 [그림 2] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 대용량 스택 시스템의 적용 및 그에 대한 실제 운전 결과 [그림 3] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 전자 현미경(TEM) 사진

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- 이산화탄소 전환용 고성능 대면적 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극 - 전기화학적 이상화탄소 전환 스택 시스템 구현을 통한 실용화 기틀 마련 환경오염 없이 이산화탄소를 제거하면서도 석유화학 공정을 통해 얻을 수 있었던 유용한 화학물질을 얻을 수 있는 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템은 탄소중립 사회를 만들기 위해 꼭 연구가 필요한 분야이다. 관련 연구는 많은 발전을 해왔지만 대부분 실험실 규모의 연구에 그치고 있어 실제 산업에 적용되기 위해서는 대용량화와 이에 적합한 촉매, 전극 개발 등 해결해야 할 숙제가 많은 분야이기도 하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 청정에너지연구센터 오형석, 황윤정, 이웅희 박사 연구팀이 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에서 높은 효율로 에틸렌 및 에탄올을 얻을 수 있는 성게 모양의 구리 나노촉매 전극을 개발하고 대량생산을 위한 시스템을 개발했다고 밝혔다. KIST 연구진은 플라스틱, 합성 고무, 건축자재 등 다양한 일상 제품을 만들 수 있는 석유계 기초 물질인 에틸렌을 대용량으로 생성할 수 있는 성게 모양의 구리 촉매를 개발했다. 해당 촉매는 성게처럼 불규칙적인 바늘 형태이기 때문에 바늘의 뾰족한 부분에서 촉매활성도가 높아진다. 이 촉매를 사용하면 기존의 구리 촉매에 비해 더 낮은 전압에서도 높은 에틸렌 생성 선택도를 가져 에틸렌 생산량이 50% 이상 향상되었다. 또한, CO2 전환 전지를 여러 개 적층하여 대량생산을 위한 시스템을 제작하여 실용화 가능성을 확인하였다. 연구진은 다양한 실시간 분석(In-situ/Operando analysis)을 통해 반응 중인 촉매의 화학적 특성을 분석한 결과 개발한 촉매에 첨가된 염기성 물질에 의해 수산화구리와 산화구리 성분이 많아져 이산화탄소 전환 효율이 높아지는 것을 확인하였다. 이를 통해 반응 중의 수산화물과 산화물의 비율을 높이는 것이 에틸렌의 생산 효율을 높이는 키임을 밝혀 추후 연구에서 촉매를 디자인하는 방향을 제시했다. KIST 오형석 박사는 “이번 연구는 대면적화가 가능한 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 개발을 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 성능 및 규모를 크게 향상시키고 앞으로의 연구 개발 방향을 제시하였다.”라며, “본 연구를 통해 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대한다.”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 차세대 탄소자원화 사업으로 수행되었으며 이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 「Nano Energy」 (IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.299%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Highly selective and stackable electrode design for gaseous CO2 electroreduction to ethylene in a zero-gap configuration - (제 1저자) 한국과학기술연구원 이웅희 박사후연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 오형석 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극을 이용한 이산화탄소 전환 시스템 개요도 [그림 2] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 대용량 스택 시스템의 적용 및 그에 대한 실제 운전 결과 [그림 3] 염기성 물질이 첨가된 성게 형태의 나노 구리 촉매 전극의 전자 현미경(TEM) 사진

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