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미국 캘리포니아 공대(Caltech)와 UCLA 새뮤얼 공과대학(Samueli School of Engineering)의 연구진은 이산화탄소를 에틸렌으로 효율적으로 전환시킬 수 있는 새로운 방법을 선보였다. 에틸렌은 전 세계적으로 플라스틱, 용제, 화장품, 기타 중요한 제품을 생산하는데 필요한 화학 물질이다. 이번 연구진은 특별한 모양의 표면을 가진 나노크기의 구리 와이어를 촉매로 사용해서 온실 가스인 이산화탄소를 귀중한 화학물질인 에틸렌으로 변환시켰다. 이번에 사용된 촉매는 수소 또는 메탄보다 에틸렌을 생산하는데 유리한 특성을 가졌다. 현재, 우리는 지구 기후 변화 문제와 화석 연료 고갈이라는 두 가지 문제로 어려움을 겪고 있다. 온실 가스인 이산화탄소를 유용한 화학 원료로 효율적으로 전환시킬 수 있는 재료를 개발하는 것은 지구 온난화 완화와 화석 연료 감소를 위한 중요한 단계이다. 에틸렌의 연간 생산량은 1억 5,800만톤이다. 그중 대부분은 플라스틱 포장에 사용되는 폴리에틸렌으로 변환된다. 에틸렌은 천연 가스와 같은 탄화수소로 만들어진다. 이 반응을 촉매하는데 구리를 사용하는 아이디어는 오래전부터 알려져 왔지만, 산업 생산에 충분할 정도로 빠르지 않았다. 이번 연구에서는 이것을 해결하는 새로운 형태의 구리를 만들었다. 이 연구는 이산화탄소를 사용하여 에틸렌을 친환경적으로 생산하는데 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다. 구리를 사용하여 이산화탄소를 에틸렌으로 환원시키는데 두 가지 어려움이 존재한다. 첫 번째는 초기 화학 반응 동안에 수소와 메탄이 생산되는데, 이것들은 산업 생산에 바람직하지 않다. 두 번째는 이산화탄소를 에틸렌으로 전환하는 효율이 떨어진다는 것이다. 이런 두 가지 문제점을 극복하기 위해서 이번 연구진은 원자 크기로 배열된 계단 모양의 표면을 가진 구리 나노와이어를 만들었다. 나노와이어 표면의 계단 패턴이 반응을 안정적으로 유지시켰다. 이것이 에틸렌을 생산할 수 있는 선택성과 내구성의 핵심이다. 이번 연구에서는 이산화탄소를 에틸렌으로 변환할 때 전환율이 70% 이상으로 기존보다 훨씬 효율적이라는 것을 확인했다. 이 새로운 시스템은 200시간 동안 실행되는 동안에 전환 효율의 변화가 거의 없었다. 이 연구결과는 CO2 환원을 통한 기후 문제 완화와 에틸렌 생산으로 인한 화석 연료 사용 감소라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 새로운 기회를 제공하고, 향후에는 기능성 촉매 설계에 새로운 길을 제시할 수 있을 것이다. |
