【브레이크뉴스 대구】진예솔 기자=DGIST(총장 이건우)는 서강대학교(총장 심종혁)와의 공동 연구를 통해 이산화탄소(CO2)에서 에틸렌(C2H4)으로 전환을 촉진시키는 새로운 전기화학 촉매를 개발했다고 16일 밝혔다.

▲ DGIST 에너지공학과 남대현, 이윤구 교수팀이 연구결과를 확인하고 있다  © DGIST

DGIST 에너지공학과 남대현, 이윤구 교수팀과 서강대학교 화공생명공학과 백서인 교수팀은 비타민C를 불균일계 이산화탄소 환원 촉매에 적용시켜 에틸렌 생산성을 비약적으로 높이는 기술을 개발했다.

이산화탄소의 전기화학적 환원은 ‘친환경 에너지’의 핵심 기술로 주목받고 있다. 그러나 기존의 전기화학 촉매들은 높은 전류밀도에서 촉매 활동이 원활하게 이루어지지 않아 이산화탄소의 에틸렌 전환에 있어 필수적 요소인 일산화탄소 중간체가 제한적으로 형성되고, 이산화탄소 환원 반응 대신 수소생성반응이 유도되는 문제가 존재했다.

그렇기 때문에 이산화탄소의 원활한 환원을 위해서는 전기화학 촉매를 통해 높은 전류밀도에서 일산화탄소 중간체가 안정적으로 형성되고, 두개의 일산화탄소 중간체가 결합하는 이량체화를 촉진하는 것이 중요하다. 

이에 DGIST 남대현 교수팀은 이산화탄소 농도가 높은 환경에서 과일의 비타민C 함량이 감소하는 현상을 활용해 비타민C의 산화환원반응을 전기화학적 이산화탄소 환원 반응에 접목하는 방법을 고안했다. 

연구팀은 비타민C와 그래핀 양자점을 합성하고, 이를 구리와 결합, 비타민C 증강 구리 나노선 촉매를 제작해 그래핀 양자점이 가진 나노구속효과로 비타민C가 안정적으로 고정되고, 산화환원의 가역성이 가능하게 했다. 

비타민C의 산화환원 반응이 이산화탄소에 전자 및 양성자를 지속적으로 전달하면서 일산화탄소 중간체 형성과 이량체화를 촉진했고, 그 결과 연구팀이 개발한 촉매가 기존 구리 나노선 촉매에 비해 2.9배 향상된 에틸렌 생산성을 나타내게 됐다.

나아가 연구팀은 실시간 라만 분광분석 및 전산모사 연구를 통해 그래핀에 구속된 비타민 C가 일산화탄소 중간체와 구리 촉매의 결합을 최적화하고, 강한 수소결합을 기반으로 이산화탄소 환원 반응에 유리한 전자 및 양성자 전달이 가능함을 확인하면서 해당 촉매의 작동원리를 규명했다.

DGIST 남대현 교수는 “본 연구를 통해 이산화탄소 환원 반응으로 에틸렌을 대량 생산할 수 있는 전기화학 촉매를 개발하고, 반응 메커니즘을 새로이 규명했다”며, “향후 해당 기술이 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 고부가가치 화합물로 전환하여 탄소중립에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 DGIST (President Lee Kun-woo) announced on the 16th that it had developed a new electrochemical catalyst that promotes the conversion of carbon dioxide (CO2) to ethylene (C2H4) through joint research with Sogang University (President Jong-hyuk Shim).

The team of professors Daehyun Nam and Yungu Lee of the Department of Energy Engineering at DGIST and the team of Professor Seoin Baek of the Department of Chemical and Biological Engineering at Sogang University developed a technology to dramatically increase ethylene productivity by applying vitamin C to a heterogeneous carbon dioxide reduction catalyst.

Electrochemical reduction of carbon dioxide is attracting attention as a core technology for ‘green energy’. However, existing electrochemical catalysts do not perform smoothly at high current densities, so there is a problem in that carbon monoxide intermediates, which are essential for the conversion of carbon dioxide to ethylene, are formed limitedly, and hydrogen production reactions are induced instead of carbon dioxide reduction reactions. .

Therefore, for smooth reduction of carbon dioxide, it is important to stably form a carbon monoxide intermediate at a high current density through an electrochemical catalyst and promote dimerization where two carbon monoxide intermediates combine.

Accordingly, Professor Daehyun Nam's team at DGIST devised a method to combine the oxidation-reduction reaction of vitamin C with the electrochemical carbon dioxide reduction reaction by taking advantage of the phenomenon that the vitamin C content of fruits decreases in an environment with high carbon dioxide concentration.

The research team synthesized vitamin C and graphene quantum dots, combined them with copper, and produced a vitamin C-enhanced copper nanowire catalyst. The nano-confinement effect of graphene quantum dots ensures that vitamin C is stably fixed and reversibility of oxidation and reduction is possible. I made it happen.

The redox reaction of vitamin C continuously transferred electrons and protons to carbon dioxide, promoting the formation and dimerization of carbon monoxide intermediates. As a result, the catalyst developed by the research team showed a 2.9-fold improvement in ethylene productivity compared to existing copper nanowire catalysts. .

Furthermore, through real-time Raman spectroscopic analysis and computer simulation studies, the research team demonstrated that vitamin C bound to graphene optimizes the bond between carbon monoxide intermediates and copper catalysts and enables electron and proton transfer that is advantageous for the carbon dioxide reduction reaction based on strong hydrogen bonds. Through confirmation, the operating principle of the catalyst was identified.

Professor Daehyun Nam of DGIST said, “Through this research, we developed an electrochemical catalyst that can mass-produce ethylene through a carbon dioxide reduction reaction and newly identified the reaction mechanism.” He added, “In the future, this technology will transform carbon dioxide, the main cause of global warming, into high-value-added compounds.” “We expect to contribute to carbon neutrality by converting to .”