화학 연구, 태양 에너지 기술 개선으로 온실가스 감소

UNC-Chapel Hill Chemistry Department의 연구원들은 반도체를 사용하여 태양 에너지를 수확하고 환경 친화적인 연료를 생산할 가능성이 있는 고에너지 화합물로 전환하고 있습니다.


연구진은 ACS Energy Letters에 실린 ‘p형 실리콘의 메틸 터미네이션은 분자 루테늄 촉매에 의한 선택적 광전기화학적 CO2 환원을 가능하게 한다’는 논문에서 태양광을 이용해 이산화탄소를 일산화탄소로 변환하는 성능을 향상시키기 위해 3개의 수소 원자에 결합된 탄소 원자 1개의 단순 유기 화합물을 이용하는 메틸 터미네이션(methyl termination)이라는 공정을 이용하는 방법을 설명합니다.

이 연구는 DOE Office of Science가 자금을 지원하는 Energy Innovation Hub 인 Solar Energy to Liquid Fuels (CHASE)의 지원을 받았으며 식물이 햇빛을 사용하여 이산화탄소를 에너지가 풍부한 분자로 전환하는 방법을 모방한 인공 광합성이라고 불리는 과정에 의해 알려졌습니다. 이산화탄소는 기후 변화에 기여하는 주요 온실 가스입니다. 덜 해로운 온실 가스이자 더 복잡한 연료의 구성 요소인 일산화탄소로 전환함으로써 연구원들은 잠재적으로 이산화탄소 배출의 환경적 영향을 완화할 수 있다고 말했습니다.

“태양 에너지에 대한 한 가지 도전과제는 우리가 태양 에너지에 대한 가장 높은 수요를 가지고 있을 때 항상 이용할 수 있는 것은 아니라는 것입니다,” 라고 이 논문의 제1저자이자 화학 박사과정 학생인 가브리엘라 베인이 말했습니다. “또 다른 도전과제는 태양 전지판에서 나오는 것과 같은 재생 가능한 전기가 화학물질을 만드는 데 필요한 원료를 직접적으로 제공하지 않는다는 것입니다. 우리의 목표는 태양 에너지를 나중에 사용할 수 있는 액체 연료의 형태로 저장하는 것입니다.”

연구진은 광전극이라고 불리는 화학적으로 변형된 실리콘 조각이 있는 루테늄 분자 촉매를 사용했는데, 이 촉매는 수소 가스와 같은 원치 않는 부산물을 생성하지 않고 빛 에너지를 사용하여 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 과정을 용이하게 하여 이산화탄소를 다른 물질로 전환하는 데 더 효율적으로 만들었습니다.

이 논문의 공동저자이자 보우먼과 고든 그레이 저명한 용어 교수인 질리언 뎀프시(Jillian Dempsey)는 이산화탄소로 채워진 용액에서 실험을 실행했을 때 87%의 효율로 일산화탄소를 생성할 수 있다는 것을 발견했으며, 이는 변형된 실리콘 광전극을 사용하는 시스템이 금이나 백금과 같은 전통적인 금속 전극을 사용하는 시스템과 비슷하거나 더 낫다는 것을 의미한다고 말했습니다.

게다가, 실리콘 광전극은 전기만 사용했을 때보다 460 밀리볼트의 전기 에너지를 더 적게 사용했습니다. 뎀프시는 이것을 중요하게 여겼는데, 그 과정이 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 화학 반응을 촉진하는 데 필요한 에너지를 보충하거나 상쇄하기 위해 직접적인 광채취를 사용하기 때문입니다.

“흥미로운 것은 보통 실리콘 표면이 일산화탄소 대신 수소 가스를 만드는데, 이것은 이산화탄소로 그것을 생산하는 것을 더 어렵게 만듭니다”라고 체이스의 부국장이기도 한 뎀프시가 말했습니다. “이 특별한 메틸로 종결된 실리콘 표면을 사용함으로써, 우리는 이 문제를 피할 수 있었습니다. 실리콘 표면을 수정하는 것은 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 과정을 더 효율적이고 선택적으로 만드는데, 이것은 미래에 햇빛으로부터 액체 연료를 만드는데 정말로 유용할 수 있습니다.”

빈과 뎀프시는 알렉산더 밀러 교수, 전 이 학과 대학원생인 에릭 아사프, 수석 연구 과학자 레나토 삼파이오, 학부 화학 전공인 매디슨 스튜어트, 수석 연구 과학자 스티븐 테레니악과 함께 연구에 참여했습니다.

CHASE는 UNC-Chapel Hill에 본사를 둔 7개의 다른 기관으로 구성되어 있으며 2020년 에너지부로부터 4천만 달러의 자금을 지원받아 태양광으로부터 연료를 생산하는 방법에 대한 기초 연구를 가속화했습니다.

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