최근, 중국과학원 대련화학물리연구소 촉매기초 국가중점실험실 Guo-xiong Wang, Fan Yang 및 중국과학원 Xin-he Bao 연구팀은 금속-산화물 계면(interface)이 강화된 전기촉매환원 연구에서 새로운 성과를 취득하였고 관련된 연구 성과는 「미국화학회지」에 발표(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 5652)되었다.

전기촉매로 이산화탄소를 환원하는 것은 재생 가능한 전기에너지 혹은 여유의 원자력에너지 등 청정 전기에너지를 이용하여 안정한 반응조건에서 이산화탄소를 1개 절차로 일산화탄소, 포름산, 탄수화물, 알코올류 등 부가가치가 높은 연료 및 화학품으로 전환시킬 수 있을 뿐만 아니라 동시에 이산화탄소 고효율 전환과 청정 전기에너지의 효과적인 저장을 실현하였다. 현재, 고효율 촉매제를 연구하여 전위를 낮추고 반응 선택성을 향상시키는 것은 이산화탄소 전기촉매 환원에서 가장 어려운 난제이자 핫이슈이다.

동 연구팀은 이산화탄소 전기촉매 환원의 초기 연구기초(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4288; Nano Energy 2016, 27, 35; Chem. Sci. 2017, 8, 2569; Nano Res. 2017, doi: 10.1007/s12274-017-1514-6)에서 금속-산화물 계면 촉매 limit field 효과에 대해 충분한 이해(Science 2010, 328, 1141; Nat. Sci. Rev. 2015, 2, 183; Nat. Commun. 2017, 8, 14459)에 근거하여 금속-산화물 계면구조의 탄소 운반체 Au-CeOx 촉매제를 합성하였고 다양한 촉매제에서 Au 나노입자 사이즈와 모양을 동일하게 유지하는 조건으로 Au-CeOx 계면과 이산화탄소 전기촉매 환원성능 사이의 내재적 연관성을 연구하였다.

가역수소전극으로 환산하여 -0.89V(vs. RHE)일 때, Au-CeOx 촉매제에서 일산화탄소를 생성하는 Faraday Efficiency는 89.1%에 달하여 단일 Au(59.0%) 혹은 CeOx 촉매제(9.8%)보다 훨씬 높았으며 일산화탄소를 생성하는 전류 밀도는 Au의 1.6배에 달하였다. CeOx/Au(111) 모델의 촉매제를 구축하여 High Resolution Scanning Tunneling Microscope와 Synchrotron Radiation Spectrum으로 원위치 연구를 진행한 결과, Au-CeOx 계면은 이산화탄소가 CeOx 표면 계면에서의 흡착과 활성을 현저하게 촉진하였고 물은 CeOx 표면의 환원과 이산화탄소 종의 표면흡착 안정성을 유지하였다.

밀도함수이론(Density Functional Theory)계산에 의하면, 후속의 수소 첨가 과정에서 Au-CeOx 계면은 관건적인 중간 종인 *COOH를 안정시켰고 따라서 일산화탄소의 생성과 탈착 문제를 해결하는데 도움을 준다. 이러한 계면을 강화한 이산화탄소 전기촉매 환원과정으로 Ag-CeOx 촉매체계를 확실하게 증명하였는데 이는 금속-산화물 계면 촉매체계에서 이산화탄소 전기촉매 환원에서의 보편성을 설명한다.

동 연구 성과는 이산화탄소 전기촉매 환원성능을 제어하는 새로운 방법을 제공하였을 뿐만 아니라 또한 동 연구팀이 제기한 Nano domain catalytic 개념을 확장시켰다.

그림: 동 연구에서의 실험결과 (원문그림 참조)