Tailoring Ag–Cu Thin Film Catalysts by Physical Vapor Deposition for Selective CO₂ Electroreduction

대기는 열을 가두고 기후 변화를 유발하는 가스인 이산화탄소로 가득 차 있습니다. 자연은 오랫동안 식물이 공기 중에서 이 가스를 끌어당기는 데 의존해 왔지만, 과학자들은 전기를 이용해 이를 수행하는 방법을 탐구하고 있습니다. 전기화학적 환원이라고 알려진 이 과정은 재생 에너지를 사용하여 이산식가 탄소와 물이 반응하도록 강제함으로써, 폐기물을 유용한 연료나 화학 물질로 전환합니다. 문제는 화학에 있습니다. 이산화탄소는 매우 안정적인 분자여서 변화에 저항하며, 연구자들이 이를 분해하려고 시도할 때 종종 다양한 물질이 뒤섞인 지저분한 혼합물을 만들어내거나 원하는 연료 대신 단순히 수소 가스를 만들어내곤 합니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 원하는 물질, 예를 들어 합성 연료를 만드는 핵심 성분인 일산화탄소를 정확하게 생산하면서 원치 않는 부반응에 에너지를 낭비하지 않도록 유도할 수 있는 촉매라는 특수한 재료가 필요합니다.

최근 이탈리아 국립연구위원회(National Research Council)와 밀라노 비코카 대학교(University of Milano-Bicocca)의 연구진은 은(silver)과 구리(copper)라는 두 가지 흔한 금속을 사용하여 새로운 유형의 촉매를 설계함으로써 이 문제를 해결했습니다. 그들은 이 두 금속을 얇은 층으로 결합하여 최상의 결과를 얻을 수 있는지 확인하고자 했습니다. 은은 일산화탄소를 만드는 데 탁월한 것으로 알려져 있으며, 구리는 탄소 원자들을 서로 연결하는 능력이 뛰어나지만 종종 너무 많은 다양한 생성물을 만들어내는 특징이 있습니다. 연구팀은 진공 상태에서 금속 원자를 표면에 분사하는 방식인 물리적 기상 증착(physical vapor deposition) 기술을 사용하여 탄소 천(carbon cloth) 위에 이 금‌ها들을 코팅했습니다. 은과 구리의 비율을 정밀하게 조절하여 분사량을 제어함으로써, 그들은 은과 구리의 비율이 각기 다른 일련의 박막들을 만들어냈습니다. 그들의 목표는 재료가 매우 선택적으로 작동하여, 주로 일산화탄소를 생산하면서도 수소 가스의 생성을 최소화할 수 있는 완벽한 균형점을 찾는 것이었습니다.

연구진은 먼저 금속 증착량이 촉매의 형태와 성능에 어떤 영향을 미치는지 테스트하는 것부터 시작했습니다. 그들은 금속을 탄소 천에 고정된 시간 동안 분사하되, 과정을 구동하는 데 사용되는 전류를 변화시켰습니다. 그 결과, 낮은 전류를 사용하면 더 작고 흩어진 형태의 금속 입자가 생성되는 반면, 높은 전류를 사용하면 표면을 더 많이 덮는 커다란 덩어리들이 형성된다는 것을 발견했습니다. 놀랍게도, 금속 함량이 가장 높은 샘플이 반드시 최고의 성능을 보이는 것은 아니었습니다. 대신, 낮은 전류에서 적당량의 금속을 증착한 촉매가 더 나은 균형을 보여주었습니다. 이 샘플들은 반응이 일어날 수 있는 충분한 표면적을 확보하면서도, 화학적 변환에 필요한 활성 부위를 차단하는 것처럼 보이는 과밀 현상을 피할 수 있었습니다. 이는 단순히 더 많은 금속을 추가하는 것이 답이 아니라, 금속 원자의 배치와 접근성이 훨씬 더 중요하다는 것을 시사했습니다.

다음으로 연구팀은 은과 구리의 비율에 초점을 맞추어, 은이 전체 금속 함량의 75%, 50%, 또는 25%를 차지하는 혼합물을 테스트했습니다. 그들은 박막의 조성이 촉매가 무엇을 생산하는지에 직접적인 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 구리가 풍부한 샘플은 에너지를 낭비하는 경쟁 반응인 수소 가스를 더 많이 생성하는 경향이 있었습니다. 반면, 은이 더 많은 샘야는 일산화탄트 쪽으로 반응을 유도하는 데 훨씬 더 뛰어났습니다. 가장 성공적인 촉매는 은 75%와 구리 25%를 포함하는 박막이었습니다. 이 특정 혼합물은 일산로탄소에 대해 47%의 전환 효율을 달est했는데, 이는 투입된 전기 전류의 거의 절반이 원하는 가스를 만드는 데 사용되었음을 의미합니다. 이러한 성능은 순수 은으로 만든 촉매와 대등한 수준이었으며, 이는 이 이종 금속 시스템이 순수 금속의 효율성을 따라잡으면서도 최적화를 위한 조절 가능한 플랫폼을 제공할 수 있음을 입증했습니다.

실험 전반에 걸쳐 연구진은 촉매를 면밀히 관찰하기 위해 강력한 현미경과 X선 도구를 사용했습니다. 그들은 은과 구리 원자가 탄소 천 위에 고르게 퍼져서 별도의 금속 섬 형태가 아닌 균일한 층을 형성하고 있음을 확인했습니다. 또한 금속 원자들이 두 금속이 원자 수준에서 혼합된 특정 유형의 합금 구조를 형성하고 있다는 것도 관찰했습니다. 이 구조의 안정성을 테스트하기 위해 샘플을 가열하는 별도의 실험을 수행했는데, 가열 시 합금이 순수 은과 순수 구리로 분리되며 성능이 급격히 떨어진다는 것을 발견했습니다. 이는 금속의 혼합 상태가 촉매가 잘 작동하는 데 필수적이며, 분리된 상(phase)은 활성이 낮다는 것을 확인시켜 주었습니다. 연구진은 액체 산이나 알코올과 같은 다른 가능한 생성물들도 조사했으나, 일산화탄소와 수소만을 생산하는 데 매우 집중되어 있음을 나타내는 극미량의 흔적만을 발견했습니다.

이 연구는 구성 성분과 적용 방법을 정밀하게 조정함으로써 매우 효과적인 촉매를 만들 수 있음을 보여줍니다. 연구진은 물리적 기상 증착을 통해 금속의 로딩량과 원소의 비율을 정밀하게 제 제어할 수 있으며, 이를 통해 효율적이면서도 경제적인 재료를 만들 수 있음을 입증했습니다. 현재의 결과는 유망하지만, 저자들은 개선의 여지가 여전히 남아 있다고 언급했습니다. 이산화탄스 가스의 압력이나 반응 셀의 구체적인 설정과 같은 요인들이 성능을 더욱 높일 수 있을 것입니다. 현재로서 이 연구는 통제된 단순한 은과 구리의 혼합물이 이산화탄소를 가치 있는 화학적 기초 원료로 전환하는 견고한 플랫폼 역할을 할 수 있음을 증명하며 명확한 방향을 제시하고 있습니다.