초록 ▼

- 태양전지와 전기화학적 CO₂-to-Fuel 핵심장치를 결합한 인공광합성 루트를 선택하여 안정적으로 태양에너지 대비 3.0%의 에너지 변환효율로 액체연료 및 추가적인 가스연료 생산을 통한 인공광합성의 상업화를 앞당길 수 있는 길 개척
- 유무기 하이브리드 물산화 광촉매 개발: 광화학적 및 광전기화학적 시스템을 도입한 고효율 고안정성의 물산화 (광)촉매 개발-단일 또는 이종융합 촉매 및 광감응체 복합화 개발기술 확립, 귀금속을 대체할 산소발생을 위한 조촉매 개발기술 확립. 인공태양광 (AM 1.5) 조사 조

- 태양전지와 전기화학적 CO₂-to-Fuel 핵심장치를 결합한 인공광합성 루트를 선택하여 안정적으로 태양에너지 대비 3.0%의 에너지 변환효율로 액체연료 및 추가적인 가스연료 생산을 통한 인공광합성의 상업화를 앞당길 수 있는 길 개척
- 유무기 하이브리드 물산화 광촉매 개발: 광화학적 및 광전기화학적 시스템을 도입한 고효율 고안정성의 물산화 (광)촉매 개발-단일 또는 이종융합 촉매 및 광감응체 복합화 개발기술 확립, 귀금속을 대체할 산소발생을 위한 조촉매 개발기술 확립. 인공태양광 (AM 1.5) 조사 조건에서 물산화 광전류 효율 입증.
- 다중금속 물산화 광촉매 개발: LDH 층을 플라즈마를 통하여 박리 및 질소 도핑 방법 개발, 3성분계 이상 금속 원소 조합의 LDH 합성 방법 개발, 원자수준 전이금속 산화물/graphene oxide 복합체의 제조 및 광촉매 특성분석, 3차원 금속-유기구조골격체 광촉매 제조기술 확보, 다중 상을 가지는 BiVO₄/layered g-C₃N₄의 제작, 다중금속 유기리간드를 이용한 광촉매 제조기술 확보, 다중금속이 도핑된 금속-유기 구조체를 통한 금속 산화물 광촉매의 실시간 기체 흡착특성 분석, 금속 산화물 광촉매의 광전기화학적 특성분석, 페로브스카이트 태양전지를 활용한 PV-EC 시스템 구현
- 양성자, 전자, 활성수소 수송체 개발: CO₂ 환원 고효율 가시광 광촉매의 구현, 저가/고이온 전도성 바이폴라 및 모노폴라 분리막의 제조 및 화학적/기계적 특성평가-물 분해 능력이 우수한 바이폴라 분리막 제조 및 소수성 지지체의 음이온 교환막 제조, 이산화탄소 환원에 최적화된 약염기 조건(pH ~8)을 위한 음이온 교환막 개발, 인공광합성 시스템 구동 중 분리막이 팽윤되어 효율이 떨어지는 현상을 막기 위해 소수성을 띠는 음이온 교환막 개발. 세공충진 기법을 도입하여 기계적 강도가 우수하고 면적저항 및 산소 투과도가 낮은 음이온 분리막 개발(면적저항: 0.30 Ωcm², 인장강도: 47.6 MPa, 산소투과도: 2.5x10^-13mol·cm^-1· S^-1·atm^-1), 개발된 음이온 교환막에 양이온 교환막과 촉매층을 추가로 도입한 바이폴라 분리막 제조함으로써 전극의 과전압을 낮추어 고효율의 인공광합성 시스템제조. 면적저항이 낮은 바이폴라 분리막을 이용한 인공광합성 시스템 특성평가 진행, 바이폴라 분리막 사이에 물 분해를 돕는 촉매를 첨가함으로써 순수 분리막 저항을 320mV 이하로 감소시키고 물분해 속도 또한 25 mmol/cm²·min 달성
- 다전자 CO₂ 환원 분자광촉매개발: Ni 기반 금속 촉매의 합성 및 고분자화 연구, CO₂ 환원 전기화학 촉매(Ni-PMIP-PALA) 개발 ([CO₂ → HCO₂H] 반응 효율= 50~60%, 고정화된 촉매: 5일 지속 (40% urea 및 27% CO)), 가시광선 감응 다기능 복합광촉매 개발 및 전기화학 시스템 구축, CO₂ 환원 촉매 및 광수용체의 융합시스템 구현, 전자/양성자 수송체가 결합된 이산화탄소 광촉매 개발, 세계 최고의 CO₂ 흡착 성능을 갖는 CO₂ 흡착 물질 개발 (SGU-29) (상업화 가능), 구형의 실리카나노입자에 고분자전해질의 자기조립 현상을 적용한 CO₂ 환원 촉매 개발. 태양광의 적외선을 활용하여 물로 CO₂를 CO로 환원하는 방법 개발 (세계최초), 생체모방형 인공광합성 CO₂ 환원 및 물 산화 가시광선 촉매시스템 개발 (CO₂ 환원 분자촉매: [CO₂ → CO] 변환에서 TON 62,541(최고 수준), CO₂ 환원 촉매시스템: [CO₂ → CO] 변환에서 TON >23,000, 물 산화 분자촉매 연구: [H₂O → O₂] 변환에서 TON 12,661 (최고 수준), 영구적으로 안정한 2 환원 촉매-센서타이저> 시스템 개발 (세계최초), 에탄올 생성 혐기성 미생물 개발을 위한 다양한 연구수행, CO₂-to-Fuel 반응 시 전극표면 활성물질 규명: ① 라만 프로브를 사용해 실시간 전극 표면분석(Operando 분석) ② 전극표면/전극 산화상태 및 생성물 조성연구
- Morphosynthesis를 이용한 광화학 및 광전기화학적 소재 개발: 40 여종의 광촉매합성, 다 전자 전달 반응 가능토록 설계, 생성물의 선택성 제어, 반응속도, 효율 연구, 환원반응 메커니즘 연구(CO₂ anion radical을 비롯한 중간체들 확인)
- 인공광합성 디바이스 제작: 공기와 태양에너지로부터 태양에너지 대비 3% 이상으로 천연가스를 생산하는 Air-to- Fuel 파일럿 플랜트 구축, 50 kW 태양전지, 공기로부터 물 포집, 공기로부터 CO₂ 포집, 수전해, CO₂ 수소화 반응단위로부터 천연가스를 생산하는 파일럿 플랜트 구축, 저가의 공정기반 유무기 복합 광전극 개발 및 이를 이용한 인공광합성 디바이스 구현 및 저가소재 물산화 촉매, 대면적 전극 제작 방법 개발, 백금보다 저렴하고 과전압이 작으며 한 달 이상 견디는 환원전극 개발, H₂O, SOx NOx가 포함된 석탄연소 배기가스로부터 20회 이상 CO₂를 흡착해도 성능이 저하되지 않는 CO₂ 흡착제 개발, 기체크로마토그래피를 기반으로 한 액체연료 분석기술 개발, 디바이스 제작을 위한 부분 공정 모사, 통합 공정 모사 및 최적화 방안 제시

(출처 : 보고서 요약서 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 8
• 목차 ... 13
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 14
• 1.1. 연구개발의 목적 및 필요성 ... 14
• 2. 연구수행내용 및 성과 ... 30
• 1세부과제 연구수행내용 및 성과 ... 30
• 2세부과제 연구개발수행 내용 및 결과 ... 55
• 3세부과제 연구개발수행 내용 및 결과 ... 124
• 4세부과제 연구개발수행 내용 및 결과 ... 245
• 5세부과제 연구개발수행 내용 및 결과 ... 364
• 6세부과제 연구개발수행 내용 및 결과 ... 384
• 3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 507
• 3-1. 목표 ... 507
• 3-2. 목표달성 여부 ... 529
• 3-3. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후 대책 ... 564
• 4. 연구개발성과의 활용계획 ... 569
• 1세부과제 연구개발성과의 활용계획 ... 569
• 2세부과제 연구개발결과의 활용계획 ... 569
• 3세부과제 연구개발결과의 활용계획 ... 574
• 4세부과제 연구개발결과의 활용계획 ... 575
• 5세부과제 연구개발결과의 활용계획 ... 578
• 6세부과제 연구개발결과의 활용계획 ... 579
• 붙임. 참고문헌 ... 584
• 끝페이지 ... 589