신기술, 새로운 광촉매로 이산화탄소와 물을 포름산으로 변환하는 시스템
- 기술 / 문광주 기자 / 2020-08-25 15:28:29
(읽기 3분)
‘포토 시트 photo sheet’는 2단계 촉매 과정을 사용.
전환율은 0.08%이지만 촉매제 선택에 따라 개선 가능.
현재 기술로 수 평방미터 크기의 호일을 쉽게 생산.
식물의 광합성은 빛, 물 및 CO2에서 에너지가 풍부한 유기 화합물을 생성하는 방법을 보여준다. 그러나 자연에서 이 복잡한 특허를 모방하는 것은 어렵다. 지금까지는 부분적으로만 성공했다. 예를 들어 태양열 물 분리 시스템뿐만 아니라 빛과 공기로부터 합성 가스를 생성하는 열화학 반응기도 있다. 공기에서 CO2를 끌어내 합성가스로 변환시키는 인공 잎도 있다.
햇빛과 CO2에서 포름산 생산
케임브리지 대학의 Qian Wang과 그의 동료들은 한 걸음 더 나아갔다.
자연 광합성과 관련된 화학 과정에 훨씬 더 가까운 시스템을 개발했다. 식물과 마찬가지로 ‘포토 시트 photo sheet’는 2단계 촉매 과정을 사용해 빛, 물 및 CO2에서 산소와 유기 화합물 포름산 (HCOO–)을 생성한다.
Wang은 “지금까지 높은 수준의 선택성을 가진 인공 광합성을 달성하는 것이 어려웠다. 그래서 가능한 많은 햇빛을 낭비하지 않고 원하는 연료로 변환 할 수 있다. 우리는 많은 부산물 없이 쉽게 운반할 수 있는 액체 연료를 생산하고 싶었다”고 설명했다.
이것은 시스템이 자체적으로 소비되지 않고 원하는 광화학 반응을 촉진하는 촉매를 사용하는 것을 전제로 한다.
금박에 대한 2단계 산화 환원 반응
새로운 시스템은 몰리브덴으로 도핑된 비스무트 바나듐 산화물과 란탄과 로듐으로 도핑된 스트론튬 티타늄 산화물의 두 가지 다른 반도체 복합체가 내장된 얇은 금박으로 구성된다.
조명을 받으면 첫 번째 분자 복합체는 물에서 전자를 가져와 산소와 양성자로 산화시킨다.
물에서 방출된 전자는 금박을 통해 두 번째 분자 복합체로 전달된다.
이들 및 추가 코발트 기반 촉매와 함께 이것은 CO2를 포름산으로 변환한다.
연구진은 "이 무선 및 자급자족 시스템은 포름산 생산과 물 산화를 결합하고 에너지원으로 빛만 필요로 한다. 이는 CO2 변환 분야에서 드문 일이다"고 말한다.
액체 포름산은 유기 연료 또는 수소로 쉽게 운반, 저장 및 처리될 수 있다.
선택성이 높지만 여전히 효율적이지 않음
광촉매 필름은 원치 않는 폐기물을 거의 생성하지 않는다.
"우리는 이것이 선택성 측면에서 얼마나 잘 작동하는지 놀랐다. 시스템은 거의 부산물을 생성하지 않았다"고 Wang은 말했다. 연구진이 보고한 바와 같이 이 필름은 포름산 형성에 대해 97%의 선택성을 달성했다. 그러나 이들의 효율성은 여전히 매우 낮다.
빛에서 포름산으로의 전환은 0.08 %에 불과했다.
Wang과 그의 팀은 이 시스템을 상업적으로 사용하기 전에 시스템의 효율성을 크게 높여야한다고 인정했다. 이러한 최적화는 무엇보다도 더 나은 촉매제를 통해 달성될 수 있을 것이다. 연구진은 이미 프로토타입에 사용된 코발트 기반 촉매 대신 다른 분자가 사용되는 ‘포토 시트’ 버전을 연구하고 있다.
쉽게 확장 가능
이것이 성공한다면 촉매 사진 필름은 큰 이점이 있을 것이다.
Wang과 그의 팀이 설명했듯이 비교적 쉽게 확장 할 수 있다.
현재 기술로 수 평방미터 크기의 호일을 쉽게 생산할 수 있다.
Wang의 동료 어윈 레이스너(Erwin Reisner)는 "이 기술이 태양열 기반 연료의 지속 가능하고 실용적인 생산을 위한 길을 열 수 있기를 바란다"고 말했다.
(Nature Energy, 2020; doi : 10.1038 / s41560-020-0678-6)
출처 : University of Cambridge
‘포토 시트 photo sheet’는 2단계 촉매 과정을 사용.
전환율은 0.08%이지만 촉매제 선택에 따라 개선 가능.
현재 기술로 수 평방미터 크기의 호일을 쉽게 생산.
태양, CO2 및 물에서 나오는 연료
새로운 유형의 촉매 필름은 물과 빛에서 포름산을 생성한다.
자연을 모델링 삼아 :
연구원들은 태양광의 도움으로 이산화탄소와 물을 연료와 수소의 원료인 포름산(개미산)으로 변환하는 시스템을 개발했다. 시스템의 핵심은 인공광합성을 가능하게 하는 여러 개의 광촉매가 있는 금박이다. 효율성은 여전히 낮지만 더 나은 촉매제를 사용하면 개선할 수 있다. 전문가 잡지 "Nature Energy"에 과학자들이 보고한 내용이다.
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▲ 물, 태양 및 CO2는이 시스템이 연료 전구체 포름산을 생산하기에 충분하다. © University of Cambridge |
식물의 광합성은 빛, 물 및 CO2에서 에너지가 풍부한 유기 화합물을 생성하는 방법을 보여준다. 그러나 자연에서 이 복잡한 특허를 모방하는 것은 어렵다. 지금까지는 부분적으로만 성공했다. 예를 들어 태양열 물 분리 시스템뿐만 아니라 빛과 공기로부터 합성 가스를 생성하는 열화학 반응기도 있다. 공기에서 CO2를 끌어내 합성가스로 변환시키는 인공 잎도 있다.
햇빛과 CO2에서 포름산 생산
케임브리지 대학의 Qian Wang과 그의 동료들은 한 걸음 더 나아갔다.
자연 광합성과 관련된 화학 과정에 훨씬 더 가까운 시스템을 개발했다. 식물과 마찬가지로 ‘포토 시트 photo sheet’는 2단계 촉매 과정을 사용해 빛, 물 및 CO2에서 산소와 유기 화합물 포름산 (HCOO–)을 생성한다.
Wang은 “지금까지 높은 수준의 선택성을 가진 인공 광합성을 달성하는 것이 어려웠다. 그래서 가능한 많은 햇빛을 낭비하지 않고 원하는 연료로 변환 할 수 있다. 우리는 많은 부산물 없이 쉽게 운반할 수 있는 액체 연료를 생산하고 싶었다”고 설명했다.
이것은 시스템이 자체적으로 소비되지 않고 원하는 광화학 반응을 촉진하는 촉매를 사용하는 것을 전제로 한다.
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▲ 이 금박에는 산화 환원 시약과 전환 촉매가 포함되어 있다. © University od Cambridge |
금박에 대한 2단계 산화 환원 반응
새로운 시스템은 몰리브덴으로 도핑된 비스무트 바나듐 산화물과 란탄과 로듐으로 도핑된 스트론튬 티타늄 산화물의 두 가지 다른 반도체 복합체가 내장된 얇은 금박으로 구성된다.
조명을 받으면 첫 번째 분자 복합체는 물에서 전자를 가져와 산소와 양성자로 산화시킨다.
물에서 방출된 전자는 금박을 통해 두 번째 분자 복합체로 전달된다.
이들 및 추가 코발트 기반 촉매와 함께 이것은 CO2를 포름산으로 변환한다.
연구진은 "이 무선 및 자급자족 시스템은 포름산 생산과 물 산화를 결합하고 에너지원으로 빛만 필요로 한다. 이는 CO2 변환 분야에서 드문 일이다"고 말한다.
액체 포름산은 유기 연료 또는 수소로 쉽게 운반, 저장 및 처리될 수 있다.
선택성이 높지만 여전히 효율적이지 않음
광촉매 필름은 원치 않는 폐기물을 거의 생성하지 않는다.
"우리는 이것이 선택성 측면에서 얼마나 잘 작동하는지 놀랐다. 시스템은 거의 부산물을 생성하지 않았다"고 Wang은 말했다. 연구진이 보고한 바와 같이 이 필름은 포름산 형성에 대해 97%의 선택성을 달성했다. 그러나 이들의 효율성은 여전히 매우 낮다.
빛에서 포름산으로의 전환은 0.08 %에 불과했다.
Wang과 그의 팀은 이 시스템을 상업적으로 사용하기 전에 시스템의 효율성을 크게 높여야한다고 인정했다. 이러한 최적화는 무엇보다도 더 나은 촉매제를 통해 달성될 수 있을 것이다. 연구진은 이미 프로토타입에 사용된 코발트 기반 촉매 대신 다른 분자가 사용되는 ‘포토 시트’ 버전을 연구하고 있다.
쉽게 확장 가능
이것이 성공한다면 촉매 사진 필름은 큰 이점이 있을 것이다.
Wang과 그의 팀이 설명했듯이 비교적 쉽게 확장 할 수 있다.
현재 기술로 수 평방미터 크기의 호일을 쉽게 생산할 수 있다.
Wang의 동료 어윈 레이스너(Erwin Reisner)는 "이 기술이 태양열 기반 연료의 지속 가능하고 실용적인 생산을 위한 길을 열 수 있기를 바란다"고 말했다.
(Nature Energy, 2020; doi : 10.1038 / s41560-020-0678-6)
출처 : University of Cambridge
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