국내 연구진이 지구상에서 가장 흔한 소재 중 하나인 셀룰로스(통칭 섬유질)를 이용해 촉매 나노입자의 고밀도화를 가능하게 해주는 플랫폼을 개발하는 데 성공했다.
한국과학기술연구원(KIST)은 기능성복합소재연구센터 정현수 책임연구원 연구팀이 한국과학기술원(KAIST) 정희태 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 셀룰로스 이용 나노입자 고밀도화 플랫폼 소재를 구현했다고 23일 밝혔다.
연구진은 촉매 합성법 중 하나인 탄소열충격법(CTS) 공정에서 필요한 전도성 기판소재를 비전도성 셀룰로스로 대체했다.
CTS란 전기 충격으로 소재에 빠르게 열을 가한 후 빠르게 냉각시키는 나노소재합성법을 말한다.
기존에 보고된 촉매 합성법보다 고효율, 고품질 촉매를 합성할 수 있다는 장점이 있지만, 밀도(단위면적당 형성되는 나노입자의 개수)가 전반적으로 낮고 금속 종류에 따라 밀도 편차가 심한 단점이 있다.
연구진은 비전도성 셀룰로스가 전도성 기판소재 역할을 할 수 있도록 셀룰로스를 순간적으로 탄화해 전도성을 확보했다.
이렇게 개발된 플랫폼은 1.5초 만에 금속 원자의 종류(귀금속, 비귀금속)와 개수(단일, 다성분계)에 상관없이 시도한 모든 나노입자를 고밀도로 형성했다.
연구진은 개발된 플랫폼의 확장성을 증명하기 위해 이산화탄소 전환 반응에도 해당 플랫폼을 이용했다. 그 결과 이산화탄소를 원료로 고부가가치 청정연료인 에틸렌을 생산하는 데 성공했다고 설명했다.
KIST 정현수 박사는 “원하는 금속 원자의 종류와 개수만큼 고밀도 금속 나노입자를 제조할 수 있기 때문에 경제성이 높다”며 “이산화탄소·질소 전환과 같은 탄소중립 기술이나 배터리 제조 등 에너지 분야 등에 포괄적으로 적용할 수 있을 것”이라고 기대했다.
정 박사는 “높은 경제성을 갖는 전기 촉매용 플랫폼을 지구상에서 가장 풍부한 소재인 셀룰로스를 통해 구현해냈다는데 의의가 있다”고 설명했다.
이번 연구 결과는 과학 저널 ‘사이언스 어드밴시스'(Science Advances) 최신 호에 게재됐다.