[신기술소개] 일리노이 대 얼바나 샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign: UIUC): 자석으로 강화된 전기분해를 통해 이산화탄소의 보다 효율적 활용

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일리노이 대 얼바나 샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign: UIUC) : 자석으로 강화된 전기분해를 통해 이산화탄소의 보다 효율적 활용

자기를 사용해 유동 전해조에서 CO

전기 분해에 필요한 에너지를 최대 60%까지 줄일 수 있는 새로운 기술 개발

수십 년 동안 연구자들은 과도한 대기 이산화탄소(CO

) 배출을 줄이기 위해 노력해 왔다. 한 가지 유망 한 접근 방식은 대기 CO

를 포착한 다음 CO

전기 분해를 통해 에탄올, 에틸렌 및 기타 등과 같은 부가가 치가 높은 유용한 화학 물질 및 중간체로 전환하는 것이다. 이를 위해 CO

전기 분해의 속도와 선택성을 개선하기 위한 상당한 연구가 진행되었지만, 이 고전력 공정의 에너지 소비를 줄이는 것은 아직 연구되지 않았다. CO

의 전기 분해를 통해 에탄올과 같은 부가가치 화학 물질 및 중간체로 전환할 수 있었으나, 이 고전력 프로세스의 에너지 소비를 줄이는 것은 아직 연구되지 않았다.

최근 일리노이 대(University of Illinois Urbana-Champaign) 연구팀은 유량 전해조(flow electrolyzer) 에서 자기(magnetism)를 사용해 CO

전기 분해에 필요한 에너지를 최대 60%까지 줄일 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

연구의 내용은 다음과 같다. 전형적인 CO

흐름 전해조에서 전기 가 공급되어 환원전극(cathode, 이산화탄소가 유용한 부산물로 환원 되는 곳)과 산화전극(anode, 물이 산화되어 산소를 생성하는 곳)에서 반응을 유도한다. 대부분 연구는 환원전극에서 환원 반응을 더 높은 속도로 더 효율적으로 만드는 데 중점을 두었다. 그러나 이 공정은 산화전극에서 발생하는 산화 반응에 비해 에너지가 거의 필요하지 않고, CO

전기분해에 필요한 에너지의 80% 이상을 차지하므로 개 선의 여지가 가장 많다.

연구팀은 산화전극에서 에너지 소비 저감을 연구의 핵심으로 보 고, 산소 발생이 문제인 경우 산소 발생 전극에서 자기장을 사용해 전체 시스템에 어떤 일이 발생하는지 확인하였다. 연구팀은 산화전 극에서 자기장을 사용하여 전극으로부터의 질량 수송을 향상시켜 7%에서 64% 범위의 에너지 절약을 달성했다. 또한, 연구팀은 귀금 속인 전통적인 이리듐 촉매를 니켈-철 기반 촉매로 교체해 경제성을 높였다.

연구팀을 이끄는 일리노이 대 화학 및 생체분자공학과의 Paul Kenis 교수는 “우리의 궁극적 목표는 CO

를 다시 탄소기반의 화학 물질로 바꾸는 것 ”이라며, “이 연구를 통해 CO

전기 분해에 대한

상당한 에너지 요구를 줄여서 이 공정을 업계에서 채택할 수 있게 했다.”고 평가했다.

본 연구성과는 미국화학회 출판 그룹의 ACS Energy Letters 온라인판에 게재되었다(ACS Energy Letters, 2021; DOI: 10.1021/acsenergylett.1c01029).

출처: 2021. 6. 30. Science Daily (https://www.sciencedaily.com/releases/2021/06/210629120726.htm) 작성: 손 희 상 (광운대학교)

Figure. 양극에서 NiFe 기반 바이메탈 촉매를 사용, 자기장을 적용해 양극 과전 위를 줄이고 전체 전지 에너지 소비를 감 소함. 가스확산전극 기반 유동전해조에서 CO를 생성하는 CO

전기분해 공정 경우 NiFe 촉매 기반 자기장을 사용해 -300mA/cm

를 초과하는 CO의 부분전 류밀도에서 7%~64% 범위의 전력절감 달성. 2M KOH기반 전해질을 사용, 45%

의 전체 전지 에너지 효율에서 최대 CO

부분전류밀도(-565mA/cm

) 달성함.