미국 에너지부(DOE)의 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)와 컬럼비아 대학의 과학자들은 강력한 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 다양한 고유 특성과 장기적 용도로 사용할 수 있는 탄소 나노섬유로 변환하는 방법을 개발했습니다. 그들의 전략은 상대적으로 낮은 온도와 주변 압력에서 작동하는 전기화학 및 열화학 반응을 직렬로 활용하는 것입니다.

과학자들이 Nature Catalytic 저널에 기술한 바와 같이, 이 접근 방식은 탄소를 유용한 고체 형태로 성공적으로 고정시켜 부정적인 탄소 배출을 상쇄하거나 심지어 달성할 수도 있습니다.

연구를 주도한 컬럼비아대학교 화학공학과 Jingguang Chen 교수는 "우리는 탄소나노섬유를 시멘트에 넣어 시멘트의 강도를 높일 수 있다. 이렇게 하면 콘크리트에 탄소를 적어도 50년, 어쩌면 그 이상 고정시킬 수 있다. 그때쯤이면 세계는 주로 탄소를 배출하지 않는 재생에너지원으로 전환해야 한다"고 말했다.

또한, 이 공정에서는 사용 시 배출가스를 전혀 배출하지 않는 유망한 대체 연료인 수소(H2)를 생산합니다.

전기촉매-열촉매 탠덤 CNF 생산 전략은 온화한 조건(370-450°C, 대기압)에서 CO2와 물을 합성가스(CO 및 H2)로 공동전해 변환하는 후속 열화학 공정을 결합하여 열역학적 한계를 우회합니다. 이로 인해 CNF 생산성이 높아집니다. 철-코발트(FeCo) 합금과 추가 금속 Co의 최적 시너지 효과는 합성 가스의 해리 활성화를 강화하고 탄소-탄소 결합 형성을 촉진하여 CNF를 생성합니다. 출처: ZhenhuaXie/Brookhaven 국립 연구소 및 컬럼비아 대학교

탄소를 포획하거나 전환하다

기후변화에 대처하기 위해 이산화탄소를 포집하거나 다른 물질로 변환한다는 아이디어는 새로운 것이 아니다. 하지만 단순히 이산화탄소 가스를 보관하면 누출이 발생할 수 있습니다. 그리고 많은 CO2 전환 프로젝트에서는 즉시 사용되는 탄소 기반 화학 물질이나 연료를 생산하여 CO2를 대기 중으로 다시 방출합니다.

Chen은 "이 연구의 참신함은 이산화탄소를 부가가치가 있는 고체 유용 물질로 전환하려고 노력하고 있다는 것"이라고 말했습니다.

크기가 10억분의 1미터에 불과한 탄소 나노튜브와 나노섬유를 포함하는 이 고체 탄소 소재는 강도, 열 및 전기 전도성을 비롯한 많은 매력적인 특성을 가지고 있습니다. 그러나 이산화탄소에서 탄소를 추출하고 이를 섬세한 구조로 조립하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 직접 열 구동 공정에는 섭씨 1,000도가 넘는 온도가 필요합니다.

이는 이산화탄소 배출을 대규모로 완화하기에는 매우 비현실적입니다. 대조적으로, 연구진은 보다 실용적이고 산업적으로 달성 가능한 온도인 약 섭씨 400도의 온도에서 발생할 수 있는 공정을 발견했습니다.

고해상도 투과전자현미경(TEM)은 철-코발트/세륨 산화물(FeCo/CeO2) 열 촉매(왼쪽)에서 생성된 탄소 나노섬유의 팁을 보여줍니다. 과학자들은 주사 투과 전자 현미경(STEM), 고각 환형 암시야(HAADF) 이미징 및 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)을 사용하여 새로 형성된 탄소 나노섬유(오른쪽)의 구조와 화학적 조성을 매핑했습니다(눈금 막대는 8나노미터를 나타냄). 이미지는 나노섬유가 탄소(C)로 만들어졌음을 보여주며, 촉매 금속인 철(Fe)과 코발트(Co)가 촉매 표면에서 밀려나 나노섬유의 끝 부분에 모이는 것을 보여줍니다. 출처: 기능성 나노물질 센터/브룩헤이븐 국립연구소

2단계 연속 방법

비결은 반응을 여러 단계로 나누고 두 가지 유형의 촉매, 즉 분자가 더 쉽게 결합하고 반응할 수 있도록 하는 물질을 사용하는 것입니다.

"반응을 하위 반응 단계로 나누면 다양한 유형의 에너지 입력과 촉매를 사용하여 반응의 각 부분을 작동시키는 것을 고려할 수 있습니다"라고 논문의 첫 번째 저자이자 Brookhaven Laboratory 및 Columbia University의 연구 과학자인 Zhenhua Xie가 말했습니다.

과학자들은 일산화탄소(CO)가 탄소나노섬유(CNF)를 만들기 위해 이산화탄소보다 더 나은 출발 물질이라는 것을 처음으로 깨달았습니다. 그런 다음 그들은 이산화탄소에서 일산화탄소를 생성하는 가장 효율적인 방법을 찾기 위해 거꾸로 작업했습니다.

그들의 그룹의 초기 작업으로 인해 그들은 탄소에 지지된 팔라듐으로 만들어진 상업적으로 이용 가능한 전기촉매를 사용하게 되었습니다. 전기촉매는 전류를 사용하여 화학 반응을 일으킵니다. 전자와 양성자의 작용으로 촉매는 이산화탄소와 물(H2O)을 이산화탄소와 H2로 분리합니다.

두 번째 단계에서 과학자들은 철-코발트 합금으로 만든 열 활성화 열 촉매를 사용했습니다. 촉매는 섭씨 약 400도에서 작동하는데, 이는 이산화탄소를 염소화 나프탈렌으로 직접 변환하는 데 필요한 온도보다 훨씬 낮은 온도입니다. 그들은 또한 금속성 코발트를 추가하면 탄소 나노섬유의 형성이 크게 가속화된다는 사실도 발견했습니다.

전기촉매와 열촉매를 결합함으로써 우리는 이 직렬 공정을 사용하여 어느 공정으로도 달성할 수 없는 효과를 얻을 수 있다고 Chen은 말했습니다.

촉매 특성화

이러한 촉매가 어떻게 작동하는지 자세히 알아보기 위해 과학자들은 수많은 실험을 수행했습니다. 실험에는 Brookhaven 연구소의 국립 싱크로트론 방사선 광원 II(NSLS-II)(QAS(고속 X선 흡수 및 산란) 및 ISS(내부 쉘 분광학) 빔라인 사용)의 전산 모델링 연구, 물리적 및 화학적 특성화 연구, 실험실의 기능성 나노물질 센터(CFN)에 있는 전자 현미경 시설의 현미경 이미징이 포함됩니다.

모델링 측면에서 과학자들은 활성 화학 환경과 상호 작용할 때 촉매의 원자 배열 및 기타 특성을 분석하기 위해 "밀도 함수 이론"(DFT) 계산을 사용했습니다.

"우리는 반응 조건 하에서 촉매의 안정한 상을 결정하기 위해 촉매의 구조를 연구하고 있습니다."라고 계산을 주도한 Brookfield 문화부의 공동 저자인 Ping Liu는 설명합니다. "우리는 활성 부위와 이러한 부위가 반응 중간체에 어떻게 결합하는지 연구하고 있습니다. 한 단계에서 다른 단계로의 장벽이나 전이 상태를 식별함으로써 반응 중에 촉매가 어떻게 기능하는지 정확히 이해할 수 있습니다."

NSLS-II에서 수행된 X선 회절 및 X선 흡수 실험은 반응 중 촉매의 물리적, 화학적 변화를 추적했습니다. 예를 들어, 싱크로트론 X-선은 전류의 존재가 촉매의 금속 팔라듐을 첫 번째 반응 단계에서 H2와 CO를 생성하는 데 핵심적인 금속인 팔라듐 수소화물로 변환하는 방법을 보여주었습니다.

두 번째 단계에서는 "우리는 반응 조건에서 철-코발트 시스템의 구조가 무엇인지, 그리고 철-코발트 촉매를 최적화하는 방법을 알고 싶다"고 Xie는 말했습니다. X선 실험을 통해 철과 코발트의 합금과 일부 추가 금속 코발트가 존재하고 일산화탄소를 탄소 나노섬유로 변환하는 데 필요하다는 사실이 확인되었습니다. 두 가지 작업이 차례로 수행되며 DFT 계산은 프로세스를 설명하는 데 도움이 됩니다.

"우리 연구에 따르면, 합금의 코발트-철 부위는 일산화탄소의 CO 결합을 끊는 데 도움이 됩니다. 이로 인해 원자 탄소가 탄소 나노섬유를 만드는 원천이 됩니다."라고 그녀는 설명했습니다. "추가 코발트는 탄소 원자를 연결하는 C-C 결합을 형성하는 데 도움이 됩니다."

재활용 가능, 탄소 음성

CFN에서 수행된 투과전자현미경(TEM) 분석을 통해 촉매가 있거나 없는 탄소 나노섬유의 형태, 결정 구조 및 원소 분포가 밝혀졌습니다.

이미지는 탄소 나노섬유가 성장함에 따라 촉매가 위로 밀려 표면에서 멀어지는 것을 보여줍니다. 이를 통해 산을 이용해 탄소나노섬유를 파괴하지 않고 금속을 침출시켜 촉매금속을 쉽게 재활용할 수 있으며, 금속을 농축하고 회수해 다시 촉매로 사용할 수 있다.

연구원들은 촉매의 재활용 용이성, 촉매의 상업적 이용 가능성, 두 번째 반응의 상대적으로 온화한 반응 조건 모두가 공정의 에너지 및 기타 관련 비용에 대한 유리한 평가에 기여한다고 말합니다.

실제 적용을 위해서는 이산화탄소 발자국 분석과 촉매 재활용성이 모두 매우 중요하다고 Chen은 말했습니다. "우리의 기술 결과와 이러한 기타 분석은 이 직렬 전략이 CO2를 탈탄소화하여 재생 가능한 H2를 생산하는 동시에 가치 있는 탄소 격리 제품으로 만드는 문을 열어준다는 것을 보여줍니다."

이러한 프로세스가 재생 가능 에너지로 구동된다면 결과는 진정한 탄소 음성이 되어 CO2 감소를 위한 새로운 기회가 열릴 것입니다.

/ScitechDaily에서 편집됨