토론토 대학교 공과대학 연구원들은 황산화물 오염 물질이 존재하는 경우에도 포집된 탄소를 에틸렌 및 에탄올과 같은 귀중한 제품으로 효율적으로 변환하는 새로운 촉매를 개발했습니다. 이 획기적인 발전은 탄소 포집 및 업그레이드에 대한 보다 경제적으로 실행 가능한 접근 방식을 제공하며, 철강 및 시멘트 제조와 같은 산업을 폐기물 흐름에서 보다 효율적으로 변환할 수 있도록 함으로써 잠재적으로 변화를 가져올 수 있습니다.
이산화탄소를 귀중한 제품으로 전환하는 전기화학적 촉매는 현재 버전을 오염시키는 불순물에 저항할 수 있습니다. 새로운 촉매는 포집된 탄소를 상업용 제품으로 전환하는 능력을 향상시켜 황산화물 불순물이 존재함에도 불구하고 높은 효율을 유지합니다. 이러한 혁신은 중공업에 영향을 미치면서 탄소 포집 기술의 비용과 에너지 요구 사항을 크게 줄일 수 있습니다.
토론토 대학 공과대학 연구진이 새롭게 설계한 촉매는 오염물질이 존재하여 기존 촉매의 성능이 저하되는 경우에도 포집된 탄소를 가치 있는 제품으로 효율적으로 변환할 수 있습니다.
이번 발견은 기존 산업 공정에 추가할 수 있는 보다 경제적인 탄소 포집 및 저장 기술을 향한 중요한 단계입니다.
7월 4일 Nature Energy에 발표된 논문의 수석 저자인 David Sinton 교수는 다음과 같이 말했습니다. "오늘날 우리는 그 어느 때보다 더 많고 더 나은 저탄소 발전 옵션을 보유하고 있습니다. 하지만 철강 및 시멘트 제조와 같이 경제에서 탈탄소화가 더 어려울 일부 분야가 있습니다. 이러한 산업을 지원하려면 폐기물 흐름에서 탄소를 포집하고 향상시키는 비용 효율적인 방법을 고안해야 합니다."
Hinton과 그의 팀은 이산화탄소와 전기를 에틸렌 및 에탄올과 같은 제품으로 변환하기 위해 전해조라는 장치를 사용합니다. 이러한 탄소 기반 분자는 연료로 판매되거나 플라스틱과 같은 일상 제품을 만들기 위한 화학 공급원료로 사용될 수 있습니다.
전해조에서는 이산화탄소 가스, 전자 및 수성 액체 전해질의 세 가지 요소가 고체 촉매 표면에 모일 때 전환 반응이 발생합니다.
촉매는 일반적으로 구리로 만들어지지만 다른 금속이나 유기 화합물을 포함하여 시스템을 더욱 향상시킬 수도 있습니다. 촉매의 역할은 반응 속도를 높이고 전체 공정의 효율성을 감소시키는 수소와 같은 바람직하지 않은 부산물의 생성을 최소화하는 것입니다.
전 세계의 많은 그룹이 고성능 촉매를 생산했지만 거의 모든 그룹이 순수 CO2 공급용으로 설계되었습니다. 그러나 문제의 탄소가 스택에서 나온다면 피드는 순수하지 않을 가능성이 높습니다.
"촉매 설계자들은 일반적으로 불순물을 다루는 것을 좋아하지 않으며 이는 일리가 있습니다"라고 기계공학 박사과정 학생이자 새 논문의 공동 제1저자 5명 중 한 명인 Panos Papangelakis가 말했습니다. "이산화황과 같은 황산화물은 촉매 표면에 결합하여 이를 중독시킬 수 있습니다. "이는 이산화탄소가 반응할 수 있는 부위의 수를 줄이고 원하지 않는 화학 물질을 형성할 수도 있습니다. 이는 매우 빠르게 발생합니다. 일부 촉매는 순수한 공급물을 사용하여 수백 시간 동안 지속될 수 있으며 이러한 불순물이 도입되면 몇 분 안에 효율이 5%로 떨어집니다."
CO2가 풍부한 폐가스를 전해조에 공급하기 전에 불순물을 제거하는 잘 확립된 방법이 있지만 이러한 방법은 시간이 많이 걸리고 에너지 집약적이며 탄소 포집 및 업그레이드 비용을 증가시킵니다. 또한, 이산화황의 경우 아주 조금만이라도 큰 문제를 일으킬 수 있습니다.
"배기가스 농도를 10ppm 미만, 즉 공급물의 0.001% 미만으로 줄이더라도 촉매는 여전히 2시간 이내에 중독될 것입니다."라고 Papangelakis는 말했습니다.
논문에서 팀은 일반적인 구리 기반 촉매에 두 가지 주요 변경을 적용하여 이산화황을 견딜 수 있는 보다 탄력적인 촉매를 설계하는 방법을 설명합니다.
촉매의 한 면에는 폴리테트라플루오로에틸렌(테플론이라고도 알려짐)의 얇은 층을 추가했습니다. 이 붙지 않는 물질은 촉매 표면의 화학적 특성을 변화시키고 이산화황 중독 반응이 발생하는 것을 방해합니다.
다른 면에는 연료전지에 자주 사용되는 전도성 고분자인 나피온(Nafion) 층을 추가했습니다. 이 복합 다공성 물질은 물을 흡수하는 일부 친수성 영역과 물을 밀어내는 기타 소수성 영역을 포함합니다. 이러한 구조는 이산화황이 촉매 표면에 도달하기 어렵게 만듭니다.
그런 다음 팀은 약 400ppm의 농도를 갖고 산업 폐기물 흐름의 전형적인 형태인 이산화탄소와 이산화황의 혼합물을 촉매에 첨가했습니다. 이러한 가혹한 조건에서도 새로운 촉매는 탁월한 성능을 발휘했습니다.
Papangelakis는 "논문에서 우리는 패러데이 효율(원하는 제품에 얼마나 많은 전자가 최종적으로 도달하는지를 측정하는 척도)이 50%라고 보고했으며 이 효율을 150시간 동안 유지할 수 있었다"고 말했습니다. "일부 촉매는 75% 또는 80%의 더 높은 효율로 시작될 수 있습니다. 그러나 이산화황에 노출되면 몇 분 또는 최대 몇 시간 내에 효율성이 거의 0으로 떨어집니다. 우리는 이를 견딜 수 있었습니다."
그의 연구팀의 방법은 촉매 자체의 구성에 영향을 미치지 않기 때문에 널리 사용될 수 있다. 즉, 고성능 촉매를 완성한 팀은 유사한 코팅을 사용하여 황산화물 중독에 저항할 수 있어야 합니다. 황산화물은 일반적인 폐기물 흐름에서 가장 까다로운 불순물이지만 이것이 유일한 불순물은 아니며, 팀이 조사할 다음 단계는 전체 화학 오염물질입니다.
"질소 산화물, 산소 등과 같이 고려해야 할 다른 불순물이 많이 있습니다. 그러나 이 방법이 황산화물과 잘 작동한다는 사실은 매우 유망합니다. 이 작업 전에는 CO2를 업그레이드하기 전에 불순물을 제거해야 한다는 것이 당연한 것으로 여겨졌습니다. 우리가 보여준 것은 불순물을 처리하는 다른 방법이 있을 수 있으며 이는 많은 새로운 가능성을 열어준다는 것입니다."라고 Papangelakis는 말했습니다.
/ScitechDaily에서 편집됨