최신 촉매를 활용한 캡슐 기술로 CO2 수소화 반응에서 메탄올 생산 향상 연구 발표

Seoul도쿄공대의 과학자들은 구리 나노입자를 발수성 다공성 실리케이트 결정에 넣으면 구리-아연 산화물 촉매가 메탄올을 만드는 효과를 높일 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이 구조는 열에 의해 구리 입자가 응집되는 것을 방지하여 수소화 반응을 개선하고 메탄올 생산을 증가시킵니다. 이 방법은 이산화탄소로부터 메탄올을 합성하는 과정을 더 효율적으로 만듭니다.

이산화탄소 배출은 지구온난화에 큰 영향을 미치며, 이를 줄이는 것이 시급합니다. 메탄올은 전통적인 운송 연료에 대한 적절하고 경제적인 대안이 될 수 있습니다. 이산화탄소를 수소와 함께 변환하여 메탄올을 생산하는 방법은 이산화탄소 포집 및 활용 기술 중 하나로 유망합니다.

메탄올 생산에 있어서 낮은 온도가 유리한 이유는 반응 자체가 열을 발생시키기 때문입니다. 구리와 산화아연(Cu-ZnO)으로 만든 촉매가 이를 용이하게 합니다. 이 촉매는 CO2를 포메이트 중간체로 변환시켜 메탄올 생산을 증진시킵니다. 구리와 산화아연이 만나는 표면적이 넓을수록 생산성이 높아지는데, 이는 구리 입자를 더 넓게 분포시켜 가능케 합니다. 하지만 구리 입자는 높은 온도에서 안정적이지 않으며, 준비 및 반응 과정 중에 뭉치는 경향이 있어 표면적이 줄어듭니다. 또한, 부산물로 생성되는 물도 구리를 뭉치게 하고, 포메이트 형성을 지연시킵니다.

도쿄공업대학의 타고 테루오키 교수가 이끄는 연구팀은 실리칼라이트-1(S-1)에 둘러싸인 새로운 구리-아연 산화물 촉매(Cu-ZnO)를 개발했습니다. 이들은 연구에서 몇 가지 중요한 발견을 강조했습니다.

금속을 다공성 운반체에 포집하면 열적 응집이 완화됩니다. S-1에 포집된 Cu-ZnO 촉매는 메탄올 생산이 증가하는 것으로 나타났습니다. 두 종류의 촉매가 제조되었는데, 이는 Cu/S-1과 Cu@S-1입니다. Cu@S-1은 Cu 실리케이트(CuPS) 분말을 사용하여 준비되었습니다.

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연구자들은 두 종류의 촉매를 만들었습니다. 첫 번째 촉매는 Cu/S-1이라고 부르며, 물을 싫어하는 성질을 가진 S-1이라는 물질에 구리를 추가하여 제작했습니다. 두 번째 촉매는 Cu@S-1이라고 하며, 구리 기반의 가루를 사용하여 S-1 구조에 구리 입자를 침투시키는 방식으로 만들어졌습니다. Cu@S-1을 만들기 위해 구리 가루를 용해시켰는데, 이 용해 시간은 구리 입자의 크기에 영향을 주었습니다. 최적의 용해 시간을 찾았을 때, 촉매 내에 있는 구리 입자는 약 2.4 나노미터 크기였습니다.

Cu@S-1 촉매는 Cu/S-1보다 수소화 반응과 메탄올 생산에서 더 높은 활성을 보였습니다. 메탄올 생산을 더욱 증가시키기 위해 ZnO를 Cu@S-1에 담지시켜 미세한 Cu 입자가 있는 ZnO/Cu@S-1 촉매를 제작했습니다. 이 새로운 촉매는 더 높은 활성을 보였으며, 이는 Cu-ZnO 계면 형성이 있었음을 나타냅니다.

S-1 구조는 가열 시 구리 입자들이 뭉치는 것을 방지하는 역할을 합니다. 또한, 반응 중 생성된 물을 구리-산화아연 계면에서 신속하게 제거하여 메탄올 생산을 개선합니다.

이 연구는 2024년 2월 21일 온라인에 게재되었으며, 2024년 4월 1일에 화학공학 저널의 485권에 출판되었습니다. 이 프로젝트는 EU의 Horizon2020 프레임워크와 일본 과학기술청의 후원을 받아 SCICORP(Laurelin 프로젝트)를 통해 진행되었습니다. 연구진은 새로운 촉매 준비 방법이 매우 효과적이며, CO2를 메탄올로 효율적으로 전환하는 데 유망하다는 것을 발견했습니다.