국립 부경대학교

△ 나피온 고분자층의 유무에 따른 메탄올과 에탄올의 선택적 합성 과정 이미지.

온실가스 중 하나인 이산화탄소를 액체연료인 메탄올과 에탄올로 전환하는 고효율 인공광합성 시스템이 개발돼 주목받고 있다.

부경대학교 김창우 교수(인쇄정보공학과)는 최근 한국인공광합성연구센터(KCAP)의 강영수 교수 연구팀과 공동으로 메탄올과 에탄올의 패러데이 효율(faradaic efficiency)이 각각 60 %, 90 %에 이르는 이산화탄소 환원장치를 개발했다.

패러데이 효율이란 이산화탄소를 유기화합물로 전환하기 위해 사용한 에너지 중 실제 유기화합물 생성을 위해 사용된 에너지의 비율을 말한다.

최근 식물의 광합성처럼 이산화탄소를 인공적으로 환원시켜 액체연료 등 유용한 화학원료를 생성하는 연구가 주목받고 있지만, 이산화탄소 환원 시 최종 생성물에 대한 분리공정 때문에 패러데이 효율이 낮아지는 한계가 있었다.

김 교수는 광학 활성도가 증가된 광전극(BiVO4)과 나피온(Nafion) 고분자층으로 코팅한 광촉매(TiO2)를 각각 이산화탄소 환원장치의 산화전극과 환원전극으로 활용해 유기용매 전해질에서 이산화탄소 환원반응이 일어나도록 했다.

이 장치는 나피온 레이어의 유무에 따라 이산화탄소 환원 최종 생성물로 메탄올 혹은 에탄올이 선택적으로 형성되도록 설계돼 높은 패러데이 효율을 보이는 것으로 나타났다.

이와 함께 김 교수는 중국 푸단대학교와 공동연구를 통해 이산화탄소의 선택적 환원과정에 대한 메커니즘도 제시했다.

이번 연구결과를 담은 논문 「Nafion이 코팅된 TiO2 dark cathode를 이용한 선택적 알코올 합성(Selective Alcohol on Dark Cathodes by Photoelectrochemical CO2 Valorization and Their In Situ Characterization)」은 최근 화학분야 저명 국제학술지인 미국화학회(ACS)의　ACS　Energy Letters(Impact Factor 16.3)에 게재됐다. <부경투데이>

Notice! 'Carbon dioxide as a liquid fuel', research on artificial photosynthesis
PKNU Professor Kim Chang-woo developed high-efficiency artificial photosynthesis system

A highly efficient artificial photosynthesis system that converts carbon dioxide, one of the greenhouse gases, into liquid fuel, methanol and ethanol, has been developed.

Professor Kim Chang-woo (Dept. of Graphic arts information engineering) of Pukyong National University recently developed a CO2 reduction device with faradaic efficiency of methanol and ethanol of 60% and 90% each, together with a team of Professor Kang Young-soo of Korean Center for Artificial Photosynthesis (KCAP).

Faradaic efficiency is the ratio of the energy used to produce the actual organic compound among the energy used to convert carbon dioxide to organic compounds.

Recently, research has been focused on the production of useful chemical materials such as liquid fuels by artificially reverting carbon dioxide, such as photosynthesis of plants, however there has been a limit that the faradaic efficiency is lowered due to the separation process for the final product when carbon dioxide is reverted.

The photocatalyst (TiO2) coated with a photo-electrode (BiVO4) with increased optical activity and a Nafion polymer layer was used as an oxidizing electrode and a reverting electrode of a carbon dioxide reduction reactions respectively, to cause a carbon dioxide reducing reaction in the organic solvent electrolyte.

The device is designed to selectively form methanol or ethanol as the result product of carbon dioxide reduction depending on the presence or absence of Nafion layer, resulting in high Faradaic efficiency.

Professor Kim also presented a mechanism for the selective reduction of carbon dioxide through joint research with Fudan University, China.

The paper, 「Selective Alcohol on Dark Cathodes by Photoelectrochemical CO2 Valorization and Their In Situ Characterization」, published recently in the ACS Energy Letters (Impact Factor 16.3) of the American Chemical Society (ACS), a prominent international scientific journal in chemistry. <Pukyong Today>

△ 선택적 메탄올 합성을 위한 나피온 고분자층의 역할 이미지.