초록 ▼

ㅇ 연구개요
2015년 12월 COP21 (유엔 기후변화협약 당사국 총회)에서 파리협정이 체결된 이후, 2021년 10월 COP26에서 국가온실가스감축 계획을 세우는 등 세계적으로 탄소중립 사회를 위한 전략을 추진 중임. 광촉매를 이용한 이산화탄소 자원화 기술은 화학연료로의 전환이 가능하여 신재생 에너지원으로 부각되고 있으며, 유용자원으로 전환함으로써 경제적 수익 창출이 가능한 기술임. 기존에 광촉매로 널리 활용된 TiO₂, CZTS, ZnO 등과 같은 나노입자들의 가시광선 영역대의 효율이 낮은 한계를 극복하고자, 본 연구에서

ㅇ 연구개요
2015년 12월 COP21 (유엔 기후변화협약 당사국 총회)에서 파리협정이 체결된 이후, 2021년 10월 COP26에서 국가온실가스감축 계획을 세우는 등 세계적으로 탄소중립 사회를 위한 전략을 추진 중임. 광촉매를 이용한 이산화탄소 자원화 기술은 화학연료로의 전환이 가능하여 신재생 에너지원으로 부각되고 있으며, 유용자원으로 전환함으로써 경제적 수익 창출이 가능한 기술임. 기존에 광촉매로 널리 활용된 TiO₂, CZTS, ZnO 등과 같은 나노입자들의 가시광선 영역대의 효율이 낮은 한계를 극복하고자, 본 연구에서는 표면적이 넓고, 전하이동도가 높은 2차원 소재를 활용하고자 함. 기존의 2차원 소재 합성법은 매우 높은 온도 (500 ℃까지의 1000 ℃ 이상)에서 반응하여, 본 연구팀은 저온에서 가능한 2차원 합성법을 개발하고자 함.

ㅇ 연구 목표대비 연구결과
최종 목표: 본 연구팀에서는 저온 2차원 소재 합성 및 최신 분석 장비를 이용하여 분자수준에서 물질의 조성과 성장을 제어하고, 높은 촉매 활성을 보이는 최적의 고감도 가시광선 응답 광촉매를 개발 및 반응 메커니즘을 연구하여 차세대 탄소전환 기술 확보.
본 연구팀에서는 2차원 소재의 성장 반응 속도를 조절하여 고기능 2차원 소재 합성 기술인 저온 숙성법 개발함. 그래핀이 덮인 환원된 TiO₂, Pt-NGO-RT, In₂TiO₅/MoSe₂ 등 다양한 2차원 소재 물질을 개발함. 최신 분석 장비인 TOF-MEIS를 이용하여 비파괴적 분석법으로 합성된 2차원 소재의 형성 및 성장 과정을 분석하였으며, TEM, XPS 등을 이용하여 촉매의 물성을 분석하였음. 또한, 광전하의 반응 메커니즘을 연구하기 위해 TRPL을 이용하여 광발생 전하의 수명(lifetime) 비교하였으며, 13CO₂를 활용한 동위원소 분석을 진행함. 원자 주변의 구조나 치환된 원자 주변 등의 다양한 국부적 정보를 분석하기 위해 X-선 흡수분광학 분석을 하였으며, 이를 통해 촉매의 산화 상태, 공유 결합 길이 등을 분석하였으며, 이산화탄소 전환 반응시의 활성점을 규명함.
이산화탄소 전환 실험을 통해 C1 생성물인 메탄뿐만 아니라, C2 생성물인 에탄이 생산되는 메커니즘을 밝힘. 본 연구팀이 개발한 그래핀이 덮인 환원된 TiO₂ 촉매의 그래핀이·CH₃ 라디칼 안정화에 도움을 주어, C-C 결합 (·CH₃ + ·CH₃ -> C2H₆)에 의해 에탄 생산되었음. C1, C2 생성물을 선택적으로 생산할 수 있는 기술은 차세대 탄소전환 기술에 기여할 것으로 예상됨.

ㅇ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
본 연구에서 개발한 2차원 하이브리드 물질은 기존의 고온 건식 합성법이 아닌 저온의 오토클레이브와 저온 숙성법을 활용하였으며, 새로운 2차원 물질 합성법 및 다양한 응용 가능성을 확보함. 이산화탄소 전환을 통한 고부가가치 유용자원의 활용은 탄소 배출권 거래 등 탄소중립 사회의 실현을 위한 초석이 될 것으로 기대됨. 또한, 개발한 2차원 물질은 결합하는 물질에 따라 독특한 특성(광학적, 기계적, 전기적)들을 보이기 때문에 배터리, 디스플레이 등 다양한 에너지 분야에 적용할 수 있음.
본 연구팀에서는 탄소자원화 기술의 고도화를 위해 후속 과제와 실험을 진행 중에 있음. C₂ 이상의 고부가가치 물질 생산을 위해서는 기존에 보고된 촉매 개발과 더불어 반응 시스템 개발이 필요함. 본 연구 과제를 통해 얻은 다양한 경험과 노하우를 활용하여 기술의 고도화를 달성할 것임. 또한, 다양한 경험과 노하우를 가지고 있는 선진국 대학과 기관들과의 국제공동 연구 또는 협력을 진행할 예정임.


(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 본 연구개발의 필요성 ... 4
• 2) 연구가설 ... 4
• 3) 최종 연구 목표 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 11
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 11
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• 3) 목표 달성 수준 ... 17
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 17
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 참고문헌 ... 18
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 19
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 26
• 끝페이지 ... 41