초록 ▼

□ 연구개요
이산화탄소 (CO₂)는 대표적인 온실기체로 인간 활동에 의해 발생하는 중요한 기체 중에 하나이다. 이에 따라 이를 포집, 저장 또는 변환하는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 특히 CO₂를 전기화학적으로 환원하기 위해 요구되는 높은 과전압과, 이에 따른 수소발생 반응으로 인한 낮은 Faradaic 전류는 큰 장애물로 여겨지고 있다. 그리고 LbL (Layer-by-layer) 자기조립 다층 박막은 층상의 순서 및 층상 개수를 능동적으로 조절함으로써, 박막의 물리/전기/광/구조적 특성을 제어할 수 있다. 따라서 본 과

□ 연구개요
이산화탄소 (CO₂)는 대표적인 온실기체로 인간 활동에 의해 발생하는 중요한 기체 중에 하나이다. 이에 따라 이를 포집, 저장 또는 변환하는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 특히 CO₂를 전기화학적으로 환원하기 위해 요구되는 높은 과전압과, 이에 따른 수소발생 반응으로 인한 낮은 Faradaic 전류는 큰 장애물로 여겨지고 있다. 그리고 LbL (Layer-by-layer) 자기조립 다층 박막은 층상의 순서 및 층상 개수를 능동적으로 조절함으로써, 박막의 물리/전기/광/구조적 특성을 제어할 수 있다. 따라서 본 과제에서는 Au, Cu, Pd 등의 금속 나노 입자들을 LbL 방법으로 층상 다층박막으로 제조하여 전기화학 촉매로써 CO₂ 변환 장치를 개발하고자 하며, 나아가 LbL의 층상 구조를 체계적으로 변형함으로써 금속 나노입자에서의 CO₂ 변환 메커니즘을 미시 수준에서 규명하고자 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구에서는 Au, Pd, Cu 나노입자 (NPs)와 환원된 그래핀 산화물 (rGO)을 이용하여 다양한 LbL 전극 (rGO/AuNPs)n-ITO, (rGO/PdNPs)n-ITO, (rGO/CuNPs)n-ITO 전극을 제조한 후 CO₂의 환원 과정을 전기화학적 방법을 이용하여 고찰한 결과 N₂기체를 흘려주었을 때보다 CO₂가 존재하였을 때 전류밀도가 더 높아지며 on-set potential이 좀 더 당겨진 것을 확인하였다. 또한 LbL 층이 증가할수록 박막 위에 존재하는 금속 나노입자 수가 증가하여 CO₂ 변환이 더 활발하게 일어나는 것을 전류의 변화로서 확인하였다. 하지만 CO₂ 환원반응의 생성물들을 확인하기 위해 특정 전압에서 장시간 반응을 진행하면 ITO 전극이 노랗게 타버려서 재사용이 불가능하게 되는 심각한 문제점을 보였다. 결국 ITO 대신 기체 확산 전극 (GDE)을 활용한 연구로 내용을 일부 수정하였다. 또한 Cu 나노입자의 경우 쉽게 산화되는 문제점을 해결하기 위해 산화 역제 경향을 지닌 PVP-CuNPs 및 CuNPs-rGO 복합체를 개발하고 이를 이용한 다양한 촉매/센서 개발 연구를 수행하였다. 그리고 본 연구 과제에서 파생된 연구로 (rGO/PdNP)n 박막의 H₂O₂ 및 글루코스 감지기로써의 활용 연구, CuNPs-rGO 촉매를 이용 포도당을 비색법으로 검출하는 연구, PVP-CuNPs을 이용아질산염 이온의 농도를 측정하는 연구, 입자 사이의 거리가 조절된 Au 박막의 제조와 표면 플라스몬 공명 특성 연구 등이 진행되었다.

□ 연구개발결과의 중요성
CO₂의 전기화학적 환원은 에너지가 소모되는 반응이므로 촉매의 개발 및 선택이 필수적이다. 비록 에너지 소모를 통한 CO₂ 변환이지만, 현재 인류가 당면한 에너지 고갈 및 범지구적 환경 문제에 동시에 대응할 수 있는 가장 강력한 대안 중 하나라고 할 수 있다. 본 과제는 이같이 전기화학적 CO₂ 변환을 위한 선제적 연구 제안이며, 제안 과제의 성격상 응용성 및 이론적 연구 결과를 동시에 도출할 수 있다고 생각한다. 본 연구 결과를 통해 향후 CCU 기술에 있어서 금속 나노 입자 촉매를 효과적으로 활용/제어할 수 있는 이론적 토대를 마련하고, 나아가 금속 나노입자를 통한 고효율, 저비용의 CO₂ 환원 연구에 대한 원천 기술을 확보할 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• (1) 당초 연구 목표 및 기 수행한 연구결과 기술 ... 5
• (2) 구리 나노입자를 기반으로 한 기체 확산 전극의 CO2 환원 반응에 관한 연구 ... 6
• (3) 팔라듐 나노입자와 그래핀 나노시트를 이용한 다층 박막 제조 및 전기화학적 촉매 특성 연구 ... 6
• (4) 구리 나노입자-환원된 그래핀 산화물의 제조와 촉매 및 센서로써의 활용 연구 ... 6
• (5) 개선된 폴리올 방법을 사용한 산화 억제 구리 나노입자의 제조와 촉매로써의 활용에 관한 연구 ... 7
• (6) ITO 전극에 Pd 나노구조체를 무전해 도금한 후 메탄올 산화 전극으로 활용 ... 7
• (7) 입자 사이의 거리가 조절된 2 차원 금 나노 박막의 제조와 표면 플라스몬 공명 특성 연구 ... 7
• (8) 고온에서 CH4 + O2 → HO2 + CH3 및 HCO + O2 → HO2 + CO 반응의 속도상수 측정에 관한 연구 ... 8
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 8
• 4. 참고문헌 ... 9
• 5. 연구성과 ... 10
• 끝페이지 ... 11