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연구개발 목표 및 내용
최종 목표
TiO₂ 광산화전극 및 맥신 지지체 기반 환원전극을 활용한 고효율 이산화탄소 전환 시스템 구축
전체 내용
- CO₂와 물은 열역학적으로 매우 안정한 화합물로 분자 내 결합을 활성화시키기 위해 외부에너지의 공급이 필수적임. 본 제안은 이 때 필요한 에너지를 태양광 에너지로부터 공급받아 CO₂를 분해하여 고부가가치의 화합물을 제조하는 기술임.
- 대표적인 광촉매 물질인 TiO₂는 밴드갭이 넓은 물질

연구개발 목표 및 내용
최종 목표
TiO₂ 광산화전극 및 맥신 지지체 기반 환원전극을 활용한 고효율 이산화탄소 전환 시스템 구축
전체 내용
- CO₂와 물은 열역학적으로 매우 안정한 화합물로 분자 내 결합을 활성화시키기 위해 외부에너지의 공급이 필수적임. 본 제안은 이 때 필요한 에너지를 태양광 에너지로부터 공급받아 CO₂를 분해하여 고부가가치의 화합물을 제조하는 기술임.
- 대표적인 광촉매 물질인 TiO₂는 밴드갭이 넓은 물질로 낮은 파장대인 자외선 영역에서만 활성화되기 때문에 태양에너지를 효율적으로 사용하기 어려운 문제를 가지고 있음. 이러한 한계를 극복하기 위하여 본 연구에서는 양극산화를 통해 타이타늄 기판 위에 다양한 구조의 정렬된 TiO₂를 형성하고 이를 전기화학적 도핑을 통해 밴드갭을 조절함으로써 전자-정공 짝의 재결합 가능성을 줄이고 높은 파장대인 가시광선 영역을 사용할 수 있는 광전극의 제조를 목표로 함.
- 또한, 광전극과 짝을 이루는 상대전극으로, 뛰어난 전자적 특성과 친수성 표면 화학기능기, 고분자 물질과의 혼합 용이성이 뛰어난 것으로 알려진 이차원 물질인 MXene (맥신)을 지지체로 사용하여 넓은 표면적에 이산화탄소 전환 촉매능을 가진 물질을 합성함으로서 높은 전환효율과 안정성을 가진 CO₂의 전환 시스템을 연구하여 이산화탄소 저감 및 자원화 기술에 기여하는 것을 목표로 함.

1단계
(해당 시 작성)
목표
고효율 이산화탄소 전환을 위한 광전극 도핑 / 상대전극 촉매물질 탐색 및 전극 제조 및 도핑 수준 및 촉매 물질에 따른 이산화탄소 전환 효율 측정 및 반응 메커니즘 연구
내용
① 나노튜브의 균일한 도핑 기술 연구
▸전압충격법 (potential shock)을 응용한 도핑된 TiO₂ membrane 제조 기술 탐색
▸채널 입구의 비파괴, 채널의 균일성 및 재현성 확보
▸다양한 귀금속 및 비귀금속 기반 도핑 소재 물질 탐색 및 전 구체 연구
② 맥신 및 촉매능 물질 합성
▸다양한 종류의 맥신 중 이산화탄소 전환에 적합한 안정성을 가진 맥신 물질의 탐색 및 에칭
▸맥신 박리에 따른 표면적 변화, 이산화탄소 전환효율 (패러데이 효율) 및 안정성 분석
▸촉매 소재 물질 탐색 (Pt, Cu) 및 수열합성법, 솔-젤 공정 등에 의한 다공성 구조의 촉매 물질 합성
③ 전압, 전해질 농도, 온도 등 균일한 도핑 및 촉매 물질 합성을 위한 조건 확립
▸SEM, TEM, XPS, ICP-OES 등을 이용한 도핑 및 촉매 물질의 물성 분석
▸도핑 수준에 대한 정확한 분석 및 도핑, 합성 메커니즘 규명
④ 광전기화학적 이산화탄소 전환을 통한 최적 물질 탐색
▸도핑된 TiO₂ 광전극과 촉매능을 가진 맥신 상대전극을 통한 실제 이산화탄소 전환효율 측정
▸광전기화학적으로 넓은 범위에서 전자-정공 짝을 생성하는 도핑 물질 데이터베이스화
▸광전기화학적으로 높은 이산화탄소 탄소 전환효율을 나타내는 촉매 물질의 데이터베이스화
▸수소 발생 대비 고선택성 및 고부가가치 생성물 패러데이 효율 95% 이상 달성

연구개발성과
- 본 연구과제는 이산화탄소를 광전기화학적으로 전환하는 전극 및 시스템 구축에 대한 것으로 공정에서 얻어지는 생성물을 유용한 자원으로 활용할 수 있음.
- 이산화탄소는 대표적인 온실가스로써 탄소 중립 2050의 달성을 위해 효과적으로 감축시켜야 함.
- 본 연구과제를 통해 태양에너지를 활용하여 외부에너지의 투입을 최소화하면서도 이산화탄소를 높은 수율로 고부가가치 생성물로 전환할 수 있는 촉매 및 시스템에 대한 연구를 수행함.
-양극산화 기법을 이용하여 다양한 형태의 TiO₂ 나노 구조체를 제조하였으며 비금속 도핑 기법을 통하여 밴드갭을 조절함. 또한, 화학적 에칭법을 통해 MXene 담지체를 제조 후 표면에 균일하게 합성된 다양한 금속 및 비금속 촉매를 제작함.
-S-doped TiO₂ nanotubes 및 SnO₂가 담지 된 MXene 기반 전극을 광산화전극 및 환원전극으로 사용하여 이산화탄소 전환 시스템을 구축하였으며 포름산으로의 전환을 확인함.
-본 연구의 대용량화 및 산업화를 통해 CCS를 넘어선 CCUS 연구에 대한 세계적인 관심을 선도할 수 있는 기술을 개발하여 산업 및 국가경쟁력을 강화할 것으로 기대함.

연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
- 본 연구과제에서 제안된 전극 및 시스템을 고도화 및 상업화하여 이산화탄소를 발생하는 제철 및 석유화학 공정에 직접적인 연결을 통해 탄소 중립 달성을 위한 기술개발의 기초자료로 사용 가능함.
- 한편, 본 연구에서 실증한 연구내용은 이산화탄소의 전환뿐 아니라, 물 분해 시스템을 통한 수소 및 산소 발생 전극으로의 적용 가능성을 검토할 계획임.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 1) 연구의 필요성 ... 6
• 2) 연구가설 및 연구가설의 도출근거 ... 6
• 3) 연구목표 및 연구범위 ... 7
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 1) 1차년도 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 2) 2차년도 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 8
• 1) 연구수행 결과 ... 8
• 2) 목표 달성 수준 ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 11
• 5. 연구개발성과 및 활용 계획 ... 11
• 1) 연구성과 ... 11
• 2) 연구성과 활용 계획 ... 12
• 6. 참고문헌 ... 12
• 끝페이지 ... 12