[신기술 소개] 이산화탄소와 포름산을 상호 변환하는 에너지 효율적 촉매 개발

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이산화탄소와 포름산을 상호 변환하는 에너지 효율적 촉매 개발

일본 산업기술종합연구소(AIST)는 미국 브룩헤븐국립연구소(BNL) 화학자들과 공동으로 상온 상압의 수 중에서 수소 가스를 이산화탄소(CO

)와 반응시켜 포름산(HCO

H)을 생성하고, 포름산을 분해하여 고체 고 분자형 연료전지 등에 적합한 일산화탄소(CO)가 없는 고압 수소를 공급할 수 있는 고효율 이산화탄소/포 름산 상호 변환 가능 촉매를 개발했다. 이 연구 성과는 2012년 3월 19일 영국 과학잡지 Nature Chemistry 인터넷 판에 게재된다.

AIST는 CO

의 수소화에 의한 HCO

H 제조와 HCO

H의 분해에 의한 수소 생산 연구를 추진해왔다. 지 금까지 양성자 응답형 배위자가 촉매를 활성화 시키는 세계 최고 성능의 촉매를 개발하였는데, 이를 기반 으로 세계 최초로 수중 상온 상압 조건에서 CO

와 수소로부터 HCO

H을 제조하는 데 성공했다. 또한 유 기 첨가물을 포함하지 않는 수중, 100 ℃ 이하의 온도에서 HCO

H을 분해하여 일산화탄소를 포함하지 않 는 수소를 세계 최고 효율로 방출시키는 데 성공하여 수소 저장(HCO

H 생성)과 방출(HCO

H 해체)의 두 공정이 가능한 촉매 개발 기술을 보유하게 되었다. 한편, BNL은 인공 광합성 촉매 반응기구 해석 및 양성 자 릴레이를 표본으로 하는 수소 활성화 기술을 보유하고 있다. 이번 양 기관은 촉매 기술을 조합하여 새로 운 촉매 설계 개념에 의한 고성능 촉매를 개발하게 된 것이다.

지금까지 AIST에서 개발한 양성자 응답형 촉매는 상온 상압의 수중에서 CO

의 수소화 반응에 의해 HCO

H은 생성하지만, 반응 속도와 수율(수소 저장량)은 매우 낮았다. 이번에 새롭게 설계·합성한 촉매는 양성자 응답 형식의 수산기(-OH) 이리듐(Ir) 근처에 위치하고 있으며, 수소 분자를 이리듐과 수산기의 산 소 원자와 상호 작용을 이용하여 활성화시킨다. 이 촉매를 이용하여 상온 상압의 수중에서 CO

의 수소화 반응을 실시한 결과, 기존의 촉매에 비해 10배 이상의 반응속도로 HCO

H의 수율(수소 저장량)이 100배 이상 향상되었다. 즉, 이 촉매를 이용하여 에너지를 소비하는 고온 고압 조건이 아닌 상온 상압에서 수소를 HCO

H으로 변환할 수 있게 되었다.

이번 개발 기술은 CO

와 HCO

H의 상호 변환 반응의 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있는 촉매 기술 이며 미래의 CO

를 이용한 대규모 수소 저장 시스템의 개발이 기대된다.

출처: 일본산업기술종합연구소, www.aist.go.jp/aist, 2013-3-19

작성: 최 창 식(고등기술연구원)