이산화탄소 또는 CO2는 잠재적으로 태양에너지를 저장하는 탄소중립적인 '태양연료'로 전환되는 공급원료로 사용될 수 있다. 

그러나 화석연료와 경쟁하기 위해서는 이러한 전환을 수행하는 화학반응에 훨씬 더 효율적인 촉매가 필요하다. 연구원들은 최근 촉매성능을 근본적으로 향상시키는 폴리머 프레임워크에서 분리된 단일 구리 원자를 포함하는 광촉매 구조를 생각해 냈다.

장거리 운송 및 항공과 같이 전기화하기 어려운 여러 부문이 있으므로 기후 변화 완화를 위한 전투에서 어떤 형태의 탄소 중립 연료 개발이 필요합니다. 한편, 태양열 발전은 저탄소일 수 있지만 날씨에 따라 달라진다. 때로는 전기가 충분히 생산되지 않고 때로는 너무 많이 생산된다.

두 문제를 모두 개선할 수 있는 우아한 솔루션은 태양 에너지를 합성 연료로 전환하는 것이다. 대기 중 CO2를 끌어내어 물 분자가 쪼개져 생성된 수소와 결합된 공급원료로 사용함으로써 공장에서 탄소중립 버전의 탄화수소를 생산할 수 있다. 이것은 실제로 태양이 빛나지 않을 때 또는 전기 공급이 어려운 부문(및 그 이상)에서 작동하는 청정연료로 사용하기 위해 태양에너지를 저장한다.

그러나 식물이 햇빛을 에너지로 바꾸는 방식을 모방한 이 태양열 대 연료 비전이 직면한 가장 큰 과제 중 하나는 최종 제품 비용이 더러운 화석 연료와 경쟁할 수 있을 만큼 충분히 관련된 화학 반응의 효율성을 높이는 것이다.

이러한 효율성을 달성하기 위한 핵심은 화학 반응을 가속화하는 물질인 더 나은 촉매를 생산하는 것입니다. 주요 목표는 효율을 개선하는 동시에 낭비를 줄이기 위해 반응이 일어날 수 있는 촉매 분자의 사이트 농도를 최대화하는 것이었다.

지난 10여 년 동안 촉매 연구 커뮤니티는 태양광에서 연료로 전환하는 데 필요한 광촉매뿐만 아니라 모든 종류의 산업 공정을 크게 향상시킬 목적으로 단일원자촉매(SAC)에 점점 더 관심을 돌렸다. SAC는 반응에 관련된 모든 금속 원자가 고체 지지 프레임워크에 분산된 분리된 단일 원자로 존재하는 촉매입니다. 이러한 단일 금속 원자는 또한 일반적으로 양전하를 띠고 있다. 이 특이한 기하학적 전자 구조의 결과로 SAC는 촉매 효율을 근본적으로 향상시킬 수 있다.

SAC 연구 및 개발 분야는 최근 몇 년 동안 고급 이미징 및 X선 분광법의 도래로 인해 폭발적으로 성장했다. 이를 통해 화학자들은 반응이 일어나는 동안에도 SAC가 작동하는 매우 상세한 이미지를 생성할 수 있었고, 이를 통해 무슨 일이 일어나고 있는지 더 잘 이해하고 새로운 가설을 테스트할 수 있었다. 이와 함께 화학 합성의 현대 기술은 원하는 공정에 적합한 매우 정밀하게 맞춤화된 SAC의 구성을 가능하게 했다.

논문의 공동 저자이자 화학 공학 및 에너지 재료 연구 센터의 화학 물리학자인 Jiangwei Zhang은 "최근 몇 년 동안 다른 화학 반응을 위한 다양한 SAC가 개발되어 촉매 성능에 혁명을 가져왔다."라고 말했다. 칭다오에 있는 중국석유대학은 "이제 태양광 연료생산을 위한 광촉매의 차례"라고 말했다.

연구원들은 단일 구리원자를 고정하는 공유 트리아진 기반 프레임워크(CTF) 구조로 SAC를 구성했다. CTF는 광촉매 물 분해 성능을 향상시키는 것으로 이미 밝혀진 비교적 새로운 종류의 중합체(매우 큰 분자의 끈)이다. CTF를 단일 구리 원자와 결합함으로써 화학자들은 다공성 구조를 제공하고(관련 화학 반응이 발생할 수 있는 사이트의 수를 향상시키기 위해) 최대 원자 효율을 제공하는 것을 목표로 했다. 그들은 이 공식을 Cu-SA/CTF라고 부른다.

그들은 고각 환상 암시야 주사 투과 전자 현미경 이미지(HAADF-STEM)로 단일 Cu 원자를 시각화할 수 있었다. 그리고 EXAFS(Extended X-Ray Absorption Fine Structure) 분석을 통해 반응이 일어나는 부위의 구조를 밝혀냈다.

이 정보로 연구원들은 Cu-SA/CTF 광촉매의 성능을 테스트하고 원자 수준에서 무슨 일이 일어나고 있는지 조사할 수 있었다. 그들은 구조에 단일 구리 원자를 추가하면 촉매에 CO2를 흡착하는 능력이 증가하고(CO2를 화학반응을 수행하기 위해 그 자체에 부착) 프로세스를 구동하는 가시광선에 대한 반응을 강화한다는 것을 발견했다. 기타 여러 개선 사항을 제공합니다. 함께, 이것은 CO2와 물의 메탄 연료로의 전환을 크게 향상시키는 데 일했다.

그 결과, 연구원들은 CO2를 다른 유용한 물질로 전환하기 위한 다른 강력한 광촉매를 원자 규모로 설계하기 위한 지침을 개발할 수 있었다.

연구 보고서: 고효율 및 선택적 광촉매 CO2 감소를 위한 공유 트리아진 기반 프레임워크로 구리 단일 원자의 공간적 구속

관련 링크
Tsinghua University