막을 수 없는 촉매는 황을 능가하여 탄소 포집에 혁명을 일으켰습니다.

이산화탄소를 귀중한 제품으로 전환하는 전기화학적 촉매는 기존 버전을 오염시키는 불순물과 싸울 수 있습니다.

새로운 촉매는 포집된 탄소를 상업용 제품으로 전환하는 속도를 높여 황산화물 불순물에도 불구하고 높은 효율을 유지합니다. 이러한 혁신은 탄소 포집 기술의 비용과 에너지 요구 사항을 크게 줄여 중공업에 영향을 미칠 수 있습니다.

토론토 대학교 공과대학 연구원들은 기존 버전의 성능을 저하시키는 오염 물질이 존재하는 경우에도 포집된 탄소를 효율적으로 가치 있는 제품으로 바꾸는 새로운 촉매를 성공적으로 개발했습니다.

이번 발견은 기존 산업 공정에 추가할 수 있는 보다 경제적으로 실행 가능한 탄소 포집 및 저장 기술을 향한 중요한 단계입니다.

탄소전환 기술의 발전

저널에 발표된 논문의 주 저자인 David Sinton 교수(MIE)는 말합니다. 자연의 에너지 7월 4일에 새로운 촉매에 대해 설명합니다.

“그러나 경제에서 탈탄소화가 어려운 다른 부문도 있습니다. 예를 들어 철강 및 시멘트 제조 등 이러한 산업을 지원하려면 폐기물 흐름에서 탄소를 포집하고 규모를 확대하는 비용 효율적인 방법을 혁신해야 합니다.”

토론토 대학의 공학 박사 과정 학생 Roy Kai(Ray) Miao(왼쪽)와 Panos Papangelakis(오른쪽)는 포집된 이산화탄소를 가치 있는 제품으로 전환하기 위해 고안한 새로운 촉매를 들고 있습니다. 그들의 모델은 다른 촉매를 오염시키는 오염물질인 이산화황이 있는 경우에도 잘 작동합니다. 이미지 출처: 타일러 어빙(Tyler Irving)/토론토 공과대학

탄소 변환에 전해조 사용

Sinton과 그의 팀은 전해조라고 알려진 장치를 사용하여 이산화탄소와 전기를 에틸렌 및 에탄올과 같은 제품으로 변환합니다. 이러한 탄소 기반 분자는 연료로 판매되거나 플라스틱과 같은 일상용품을 만드는 화학 원료로 사용될 수 있습니다.

전해조 내부에서는 고체 촉매 표면에 이산화탄소 가스, 전자, 수성 액체 전해질 세 가지 요소가 결합하면서 전환 반응이 일어난다.

촉매는 종종 구리로 만들어지지만 시스템을 더욱 향상시킬 수 있는 다른 금속이나 유기 화합물을 포함할 수도 있습니다. 그 기능은 반응 속도를 높이고 수소 가스와 같은 원치 않는 부산물의 형성을 줄여 전체 공정 효율성을 감소시키는 것입니다.

촉매 효율 문제 해결

전 세계의 많은 연구팀이 고성능 촉매 생산에 성공했지만 거의 모두 순수한 이산화탄소를 사용하도록 설계되었습니다. 그러나 문제의 탄소가 굴뚝에서 나온다면 이 과정에서 생성된 탄소는 순수하지 않을 가능성이 높습니다.

“촉매 설계자들은 일반적으로 불순물을 다루는 것을 좋아하지 않으며 그럴 만한 이유가 있습니다”라고 기계 공학 박사 과정 학생이자 새 논문의 공동 저자 5명 중 한 명인 Panos Papangelakis는 말했습니다.

“이산화황과 같은 황산화물은 표면에 결합하여 촉매를 오염시킵니다. 이로 인해 이산화탄소가 반응할 수 있는 지점이 줄어들고 원하지 않는 화학 물질도 생성됩니다.”

“매우 빠르게 발생합니다. 일부 촉매는 순수한 공급물에서 수백 시간 동안 지속될 수 있지만 이러한 불순물을 도입하면 효율성이 몇 분 안에 5%로 떨어질 수 있습니다.”

CO2가 풍부한 배기 가스를 전해조에 공급하기 전에 불순물을 제거하는 잘 확립된 방법이 있지만 이러한 방법은 탄소 포집 및 향상에 시간이 많이 걸리고 에너지 집약적이며 비용이 많이 듭니다. 더욱이 이산화황의 경우에는 아주 조금만이라도 큰 문제가 될 수 있다.

Papangelakis는 “배출 가스를 10ppm 미만, 즉 공급물의 0.001% 미만으로 줄이더라도 촉매는 여전히 2시간 이내에 중독될 수 있습니다.”라고 말합니다.

촉매 설계의 혁신

이 논문에서 팀은 일반적인 구리 기반 촉매에 두 가지 주요 변경을 적용하여 이산화황에 저항할 수 있는 보다 유연한 촉매를 설계하는 방법을 설명합니다.

한쪽에는 테플론이라고도 알려진 폴리테트라플루오로에틸렌의 얇은 층을 추가했습니다. 이 붙지 않는 물질은 촉매 표면의 화학적 성질을 변화시켜 이산화황 중독이 발생할 수 있는 반응을 억제합니다.

다른 면에는 연료전지에 일반적으로 사용되는 전기 전도성 고분자인 나피온(Nafion) 층을 추가했습니다. 이 복잡한 다공성 물질에는 친수성(물을 끌어당기는 의미) 일부 영역과 물을 밀어내는 소수성 영역이 포함되어 있습니다. 이러한 구조는 이산화황이 촉매 표면에 도달하기 어렵게 만듭니다.

불리한 조건에서의 성능

그런 다음 팀은 이 촉매에 이산화탄소와 이산화황의 혼합물을 공급했는데, 후자의 농도는 전형적인 산업 폐기물 흐름을 나타내는 약 400ppm입니다. 이러한 어려운 조건에서도 새로운 촉매는 좋은 성능을 발휘했습니다.

“이 연구에서 우리는 원하는 제품이 되는 전자 수를 측정하는 패러데이 효율이 50%라고 보고했는데, 이는 150시간 동안 유지할 수 있었습니다.”라고 Papangelakis는 말합니다.

“75% 또는 80% 정도의 더 높은 효율로 시작할 수 있는 일부 촉매가 있습니다. 그러나 다시 말하지만, 이산화황에 노출되면 몇 분 또는 최대 몇 시간 내에 그 효율성이 거의 0으로 떨어집니다. 우리는 그걸 극복할 수 있었어요.” “

미래 동향 및 시사점

Papangelakis는 그의 팀의 접근 방식이 촉매 자체의 구성에 영향을 미치지 않으므로 광범위하게 적용되어야 한다고 말했습니다. 즉, 이미 고성능 촉매를 마스터한 팀은 유사한 코팅을 사용하여 황산화물 중독에 대한 저항성을 부여할 수 있어야 합니다.

황산화물은 일반적인 폐기물 흐름에서 가장 까다로운 불순물이지만, 팀이 다음으로 전체 범위의 화학적 오염물질을 다루기 때문에 이것이 유일한 불순물은 아닙니다.

“질소 산화물, 산소 등과 같이 고려해야 할 다른 불순물이 많이 있습니다”라고 Papangelakis는 말합니다.

“그러나 이 접근법이 황산화물에 매우 잘 작용한다는 사실은 매우 유망합니다. 이 연구 이전에는 이산화탄소를 업그레이드하기 전에 불순물을 제거해야 한다는 것이 당연하게 여겨졌습니다. 우리가 보여준 것은 다른 방법이 있을 수 있다는 것입니다. 이를 처리하면 많은 새로운 가능성이 열립니다.”

참고 자료: Panagiotis Papangelakis, Rui Kai Miao, Ruihu Lu, Hanqi Liu, Shi Wang, Adnan Ozden, Shijie Liu 및 Ning Sun, Colin B. O의 “고분자/촉매/이오노머 헤테로접합 설계를 사용하여 CO2 환원 전기촉매의 SO2 내성 개선” ‘Brien, Yongfeng Hu, Mohsen Shakouri, Qinfeng Xiao, Mingsha Li, Behrouz Khater, Jian’an Eric Huang, Yakun Wang, Yu-Celin Xiao, Feng Li, Ali Shaisteh Zarate, Qiang Zhang, Pingyu Liu, Kevin Golovin 및 Jin Wei Hao, Hongjian Liang, Xiyun Wang, Jun Li, Edward H. Sargent 및 David Sinton, 2024년 7월 4일, 자연의 에너지.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9