Science

CO2의 광촉매 환원으로 생성되는 탄화수소

장종엽엔에스 2014. 12. 11. 08:59

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=253806&cont_cd=GT
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-11
일본과 중국 연구진은 이산화탄소가 SrTiO3 /TiO2 동축 나노튜브 어레이 위의 수화 히드라진(Hydrous Hydrazine)에 의해서 광촉매 환원을 할 수 있다는 것을 최초로 증명했다.

탄화수소는 주요 에너지원으로 사용될 수 있다. 그러나 그들은 화석 연료로부터 생성되지 않는다. CO2로 탄화수소를 만들 수 있지 않을까? 이것은 적절한 촉매를 사용할 수 있다면 태양광 유도된 프로세스의 수단으로 달성될 수 있다. 일본과 중국 연구진은 저널 Angewandte Chemie에 특히 효율적인 새로운 광촉매 시스템을 도입했다. 이것은 CO2를 연료화하는데 한 걸음 더 나아가게 할 것이다.

CO2의 광촉매 환원을 위한 다양한 촉매들은 스트론튬 티타니아(SrTiO3, STO) 또는 티타늄 이산화물(TiO2)을 기반으로 개발되었다. 이런 두 개의 반도체 재료의 특별한 에너지 수준을 기반으로 해서, 일본 국립 물질재료연구기구(National Institute for Materials Science), TU-NIMS Joint Research Center, 중국 텐진 대학(Tianjin University)의 연구진은 두 개의 유망한 방법을 결합시킴으로써 헤테로물질을 만드는데 성공했다. 이번 연구진은 동축으로 정렬된 STO/TiO2 나노튜브의 어레이를 제조했다. 그들은 공-촉매로서 활용하기 위해서 금-구리 합금의 나노입자와 함께 나노튜브에 탑재되었다. 히드라진 수화물(N2H4•H2O)은 수소 공급원으로서 활용되고 환원 분위기가 유지된다. 이런 시스템은 CO2를 CO, 메탄(CH4), 탄화수소로 매우 효과적으로 전환할 수 있다.

태양광의 조사(照射)는 반도체 나노튜브 내에 전자들을 방출한다. STO/TiO2 헤테로구조들은 순수한 물질 속에 더 잘 유지되고 이후의 전하 분리를 가능하게 한다. 전자들은 바이메탈 귀금속인 나노입자로 전달되고, 거기에서 CO2, CO, 다른 가스 중간생성물까지 전달된다. 나노튜브 다발의 큰 표면적과 나노튜브 벽의 다공성은 높은 수준의 가스 확산을 촉진하고, 효과적인 전하 전달을 보장한다. 그들의 합금 상태에서 초래되는 특별한 효과들은 금-구리 나노입자들이 순수한 금속보다 훨씬 더 효과적으로 반도체 속의 광생성 전자들의 회귀를 멈추게 한다.

수화 히드라진에 의한 CO2의 CO와 탄화수소로의 효율적인 광촉매 전환은 Au-Cu 바이메탈 합금 나노입자와 함께 탑재된 SrTiO3 /TiO2 동축 나노튜브 어레이로 달성되었다. Au-Cu 합금 나노입자에 의해서 상승 작용을 하는 촉매 효과와 SrTiO3 /TiO2 동축 나노구조 속의 빠른 전자-전달은 효율 향상의 주요 이유이지만, 수소 공급원과 전자 도너인 N2H4⋅H2O는 산화에 의한 표면 Cu 원자를 보호하기 위해서 환원 분위기를 제공하고, 높은 광촉매 활성과 안정성을 가지게 하는 합금 효과를 보유한다. 이 방법은 광촉매 효율을 향상시키기 위한 실현 가능한 방법을 여는데, 이것은 광촉매와 공촉매의 개발에 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.

히드라진 수화물은 필요한 수소를 제공하고, 전자들을 촉매에 재공급하고, 환원 분위기를 형성하는데, 이것은 장기간 동안의 금속 나노입자를 안정화시킨다. 물이 수소 공급원으로서 사용된다면, 촉매 시스템은 빠르게 비활성화된다. 나노입자를 사용했을 경우에, CO2는 CO, CH4, 탄화수소로 처음 환원된다. 3:1 비율을 가진 금과 구리 합금은 대량의 탄화수소 생성물을 발생시킨다. 이 연구결과는 저널 Angew Chem Int Ed Engl.에 “Photocatalytic Reduction of Carbon Dioxide by Hydrous Hydrazine over Au-Cu Alloy Nanoparticles Supported on SrTiO3 /TiO2 Coaxial Nanotube Arrays”라는 제목으로 게재되었다(doi: 10.1002/anie.201409183).

그림. 이산화탄소의 광촉매 환원을 보여주는 이미지.