KIC News, Volume 23, No. 2, 2020
KIC News, Volume 23, No. 2, 2020 73
미국 예일대/중국 남과학기술대: 분자 촉매로 이산화탄소를 메탄올로 변환
태양 및 풍력과 같은 재생 가능 에너지원은 간헐적 특성으로 인해 광범위한 사용이 제한되므로 이러한 공급원으로부터 에너지를 저장하는 방법은 균일한 공급을 위해 필요하다. CO2를 연료 및 기타 CO2 유래 화학 물질로 변환하는 전기 구동 방식은 대기 CO2 수준을 완화하는 데 도움이 되나, CO2가 안정적이고 상 대적으로 반응이 없는 분자이기 때문에 이러한 방법의 개발은 결코 쉽지 않다. 따라서 촉매는 CO2를 활성 화하고 원하는 생성물로의 전환을 유도하는 데 필수적이다. 다양한 부류의 촉매 물질 중에서, 금속 이온에 결합된 리간드 분자로 구성된 분자 촉매는 특정 장점을 갖는다. 이들은 잘 특성화 된 반응 경로를 따르고, 화학적으로 변형 가능한 구조를 가지므로 그 활성을 매우 정확하게 조정할 수 있다. 이산화탄소의 일산화 탄소 또는 소수의 경우 포름산(또는 포름산염)으로의 전기 화학적 전환을 촉진하는 분자 촉매는 수십 년 동 안 알려져 왔다. 메탄올, 에탄올, 메탄 또는 에틸렌을 만들기 위해 이들 화합물을 추가로 감소시키려는 시 도가 실패했거나, 또는 기껏해야 낮은 선택성을 나타냈다.
최근 미 예일대(Yale University)와 중국 남부과학기술대(Southern University of Science and Technology) 의 공동 연구 그룹은 물에서 이산화탄소의 메탄올로의 전기 화학적 전환을 촉진할 수 분자 촉매를 개발했 다. 연구그룹은 코발트 프탈로시아닌이라는 복합체가 탄소 나노 튜브에 분산될 때 이산화탄소에 대한 전기 화학적 환원에 대한 촉매 활성과 선택성이 있음을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 코발트 프탈로시아닌 착물 은 개별 분자로서 탄소 나노 튜브의 표면에 물리적으로 흡착되어야 한다. 주요 발견은 이 혼합 촉매 시스템 이 일산화탄소를 생성하기 위해 CO2를 활성화 할뿐만 아니라 전기 화학 전지에 고전압이인가 될 때 메탄 올로의 추가 환원을 촉진한다.
연구 그룹은 탄소나노튜브에 고정화 된 코발트 프탈로시아닌 촉매가 전기 화학적으로 수중의 이산화탄 소를 감소시킬 수 있다고 보고했다. 반응은 먼저 일산화탄소를 생성하는데, 이는 중요한 액체 연료 및 벌크 화학 물질 인 메탄올(CH3OH)로 더 감소된다. 개발된 촉매 시스템은 이전 분자촉매 시스템에 비해 활성 및 선택성이 상당히 개선되었으나, 여전히 메탄올 생산에 보고된 최신 고체 금속 촉매만큼은 좋지 않다.
일반적으로 분자 촉매와 관련된 오랜 문제는 장기적인 안정성이다. 개발된 코발트 프탈로시아닌 시스템 은 아미노(NH2) 치환기를 첨가, 리간드를 변형해 시스템의 안정성이 향상시켜 전체 활동과 선택성을 12시 간 이상 지속시켰다. 개발된 촉매는 CO2로부터 메탄올의 산업적 생산뿐만 아니라 이후 산업 공정을 위한 연료 및 원료 화학 물질로 사용될 수 있다.
연구성과는 네이처 출판 그룹의 Nature 온라인판에 게재되었다(Nature, 575, 598-599 (2019), https://
doi.org/10.1038/s41586-019-1760-8).
http://www.ksiec.or.kr
74 공업화학 전망, 제23권 제2호, 2020
Figure. CoPc/CNT에 의해 촉매 된 CO의 전기 환원으로부터 MeOH 생산위한 전위-의존적 FE 및 부분 전류 밀도.
출처: 2019. 11. 27. Nature NEWS AND VIEWS (https://www.nature.com/articles/d41586-019-03563-8_) 작성: 손 희 상 (광운대학교)