CO2 Conversion

 대기 중 온실 가스, 특히 이산화탄소의 농도가 높아짐에 따라 지구의 평균 기온이 점차 증가하고 있다. 온실 가스 저감 대책으로 CO2 지중 및 해중 저장 연구가 진행되고 있지만 이는 일시적일 뿐 아니라 지면 및 해면의 산성화 등의 환경적인 문제를 낳고 있다. 따라서, 지구온난화의 직접적인 해결책은 이산화탄소를 화학적으로 전환하는 것이다. 이산화탄소 환원 반응은 지구 온난화 문제에 더하여 고부가가치 화합물을 얻어낼 수 있다는 장점이 있다.

 금속 나노클러스터는 원자 수준으로 제어된 특성 및 리간드와의 상호작용에 의한 특이적인 구조로 인해 효율적인 이산화탄소 전환 반응을 수행할 수 있다. 이산화탄소는 반응 메커니즘에 따라 일산화탄소 (CO), 포름산(HCOOH), 에틸렌(C2H4) 등의 다양한 생성물로 전환될 수 있다.

 

본 연구실에서는 다양 종의 금속 나노클러스터를 전극 위에 도포하여 전기화학적으로 이산화탄소를 전환하는 연구를 수행하고 있으며, 나노클러스터를 구성하는 금속, 리간드에 따라 다양한 이산화탄소 전환 특성이 나타나는 것을 확인하였다. 나노클러스터의 개질을 통한 반응성 및 선택성을 증진시키기 위한 방안을 모색 중이며, 궁극적으로는 재생 에너지 기반의 단일 선택성 고활성 이산화탄소 저감 촉매를 개발하고자 한다.

 기존 이산화탄소 전환 연구는 고순도, 고농도의 이산화탄소를 전기화학 셀에 공급하며 전환하는 데에 초점이 맞춰져 있다. 허나, 공장 및 발전소에서 발생하는 연도 가스 (flue gas)를 분리 및 농축하는데에 투입되는 비용이 크다는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위한 일환으로 본 연구실에서는 flue gas 내의 이산화탄소 농도와 유사한 환경에서 전기화학적 이산화탄소 전환 반응을 수행하였으며, 금 나노클러스터 촉매는 희석 이산화탄소를 공급하여주었을 때도 상당한 전환 성능을 보여주고 있다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 flue gas의 직접 전환하는 기술 개발이 가능할 것으로 기대된다.

Atomically Precise Gold Nanoclusters as Model Catalysts for Identifying Active Sites for Electroreduction of CO2
H. Seong,† V. Efremov,† G. Park, H. Kim, J. S. Yoo, D. Lee
Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 14563.

Over a 15.9% Solar-to-CO Conversion from Dilute CO2 Streams Catalyzed by Gold Nanoclusters Exhibiting a High CO2 Binding Affinity
B. Kim,† H. Seong,† J. T. Song, K. Kwak, H. Song, Y. C. Tan, G. Park, D. Lee, J. Oh
ACS Energy Lett. 2020, 5, 749.

Lattice Hydride Mechanism in Electrocatalytic CO2 Reduction by Structurally Precise Copper-Hydride Nanoclusters
Q. Tang, Y. Lee, D.-Y. Li, W. Choi, C. W. Liu, D. Lee, D.-e. Jiang
J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 9728.