본교 화공생명공학과 백서인 교수 연구팀 (공동 저자: 목동현 석박통합과정생) 이 상하이교통대 Kun Jiang 교수 연구팀과 공동 연구를 수행하여 Cu가 도핑된 Bi 나노막대 합금 촉매에서 전기화학적 이산화탄소 환원 반응에 의한 HCOOH 생성의 높은 성능을 확인하고 계산화학을 통하여 그 원인을 규명하였다.

전기화학적 이산화탄소 환원 반응은 기후 변화에 대응하기 위한 핵심적인 기술이며, 사용되는 촉매에 따라 수많은 반응 경로와 생성물들이 존재하므로 특정 화합물의 생성을 유도하기 위한 촉매의 발견과 그 원인의 규명이 중요하다. 특히 생성물 중 하나인 포름산 (HCOOH)는 직물 및 가죽 제품의 제작에 사용되며 연료전지용 액체 수소 저장 및 운반 매개체로도 사용되기에 HCOOH 생성 촉매에 대한 연구가 활발하다.

본 공동연구팀은 구리-비스무트 나노막대 합금 촉매 (Bimetallic Cu-Bi nanorod array catalyst)에서 HCOOH 생산에 대한 80% 이상의 Faraday efficiency와 약 40%의 Full-cell energy efficiency를 실험적으로 관측하였다. 이후 원자 단위에서의 상세한 밀도범함수 이론 계산 (Density function theory calculation)을 통하여 Bi 단일 금속 표면에서의 Cu의 도핑이 HCOOH 생산의 중간체인 OCOH*의 촉매 표면 흡착 세기를 조절함으로써 고활성 및 고선택성을 위한 최적의 OCOH* 흡착에너지 값을 가지도록 유도함을 확인하였다.

그림 1  (A-B) CuBi-R (나노막대), CuBi-F (나노입자)와 Bi 촉매에서의 포텐셜에 따른 Formate와 H2 생성의 Faraday efficiency 변화 비교. (C) 포텐셜에 따른 CO2RR과 HER의 상대적 Faraday efficeincy 변화 비교. (D) Cu, Bi 도핑 Cu, Cu 도핑 Bi와 Bi 촉매 표면에서의 *OCOH, *COOH 흡착에너지 변화와 그에 따른 활성 및 선택성 변화. 흡착에너지가 너무 강하거나 약한 단일 금속 촉매 표면과 달리 Bi와 Cu가 같이 존재하는 촉매 표면에서는 적당한 *OCOH 흡착에너지를 가지며 그에 따라 활성이 높아지고 *OCOH 반응 경로에 선택적인 것을 확인할 수 있다. (E) Cu 도핑 Bi와 Bi 촉매에서의 깁스 에너지 다이어그램 (F) Bonding / Anti-bonding orbital 분석을 통한 Cu 도핑 Bi와 Bi 촉매에서의 *OCOH 흡착 세기 비교.

본 연구는 이공분야 대학중점연구소지원 사업과 나노소재기술개발 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 국제 저명 학술지 'PNAS' (Impact Factor: 11.1, JCR 상위 11%)에 게재되었다.

논문 제목: Electrifying HCOOH synthesis from CO2 building blocks over Cu–Bi nanorod arrays

논문 링크: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2400898121

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