깨끗한 연료 생산을 위해 인공 잎에 작은 구리 '꽃'이 핀다

현대 에너지와 제조의 중추인 깨끗한 연료와 화학 물질을 생산하기 위해 작은 구리 '나노 꽃'이 인공 잎에 부착되었습니다.

케임브리지 대학과 캘리포니아 대학 버클리의 연구진은 태양만으로 탄화수소(탄소와 수소로 구성된 분자)를 만드는 실용적인 방법을 개발했습니다.

그들이 개발한 장치는 페로브스카이트라는 고효율 태양 전지 재료로 만든 빛을 흡수하는 '잎'과 구리 나노플라워 촉매를 결합하여 이산화탄소를 유용한 분자로 전환합니다. CO₂를 단일 탄소 분자로만 전환할 수 있는 대부분의 금속 촉매와 달리 구리 플라워는 에탄과 에틸렌과 같이 두 개의 탄소 원자를 가진 더 복잡한 탄화수소를 형성할 수 있습니다.

이는 액체 연료, 화학 물질 및 플라스틱의 핵심 구성 요소입니다.

현재 거의 모든 탄화수소는 화석 연료에서 유래하지만, 캠브리지-버클리 팀이 개발한 방법은 CO 2 , 물, 글리세롤(일반적인 유기 화합물)로 만든 깨끗한 화학 물질과 연료를 추가 탄소 배출 없이 생성합니다. 결과는 저널 Nature Catalysis 에 보고되었습니다.

이 연구는 인공 잎에 대한 팀의 이전 연구를 기반으로 하며, 광합성에서 영감을 얻었습니다. 광합성은 식물이 햇빛을 음식으로 전환하는 과정입니다.

"우리는 기본적인 이산화탄소 환원을 넘어 더 복잡한 탄화수소를 생산하고 싶었지만, 그러려면 훨씬 더 많은 에너지가 필요합니다."라고 연구의 주저자인 케임브리지 대학교 화학과의 유수프 하미드 박사 버질 안드레이가 말했습니다.

케임브리지 대학교 세인트 존스 칼리지의 연구원인 안드레이는 캘리포니아 대학교 버클리의 페이동 양 교수 연구실에서 윈튼 케임브리지-카블리 ENSI 교환 프로그램의 일환으로 이 연구를 수행했습니다.

페로브스카이트 광 흡수체를 구리 나노플라워 촉매와 결합함으로써, 이 팀은 더 복잡한 탄화수소를 생산할 수 있었습니다. 효율성을 더욱 개선하고 물 분해의 에너지 한계를 극복하기 위해, 이 팀은 대신 글리세롤을 산화시킬 수 있는 실리콘 나노와이어 전극을 추가했습니다.

이 새로운 플랫폼은 훨씬 더 효과적으로 탄화수소를 생산합니다. 물과 이산화탄소를 분해하는 이전 시스템보다 200배 더 좋습니다.

이 반응은 CO₂ 환원 성능을 높일 뿐 아니라 글리세르산, 락테이트, 포름산과 같은 고부가가치 화학 물질을 생성합니다. 이러한 화학 물질은 제약, 화장품, 화학 합성에 응용됩니다.

"글리세롤은 일반적으로 폐기물로 간주되지만, 여기서는 반응 속도를 개선하는 데 중요한 역할을 합니다."라고 안드레이는 말했습니다.

"이것은 우리가 폐기물 전환을 넘어 광범위한 화학 공정에 플랫폼을 적용할 수 있음을 보여줍니다. 촉매의 표면적을 신중하게 설계함으로써 어떤 제품을 생성할지에 영향을 미쳐 공정을 더 선택적으로 만들 수 있습니다."

현재 CO₂-탄화수소 선택성은 약 10%로 유지되지만, 연구자들은 효율성을 높이기 위해 촉매 설계를 개선하는 것에 대해 낙관적입니다. 이 팀은 플랫폼을 훨씬 더 복잡한 유기 반응에 적용하여 지속 가능한 화학 생산의 혁신을 위한 문을 열 것을 예상합니다. 지속적인 개선을 통해 이 연구는 순환적이고 탄소 중립적인 경제로의 전환을 가속화할 수 있습니다.

"이 프로젝트는 글로벌 연구 파트너십이 어떻게 영향력 있는 과학적 발전으로 이어질 수 있는지를 보여주는 훌륭한 사례입니다."라고 Andrei는 말했습니다. "케임브리지와 버클리의 전문 지식을 결합하여 연료와 귀중한 화학 물질을 지속 가능하게 생산하는 방식을 바꿀 수 있는 시스템을 개발했습니다."

이 연구는 지속 가능성 물리학을 위한 윈튼 프로그램, 세인트 존스 칼리지, 미국 에너지부, 유럽 연구 위원회, 영국 연구 및 혁신(UKRI)의 지원을 받아 진행되었습니다.


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250203142505.htm

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