중국 Jiangsu성 Tianwan 원자력발전소에 러시아가 공급하는 2기의 원자로를 추가로 건설하기 위한 일반계약이 체결되었다. 또한 Liaoning성 Xudabao 부지에 건설될 2기의 원자로에 대한 기술설계계약도 체결되었다.

이 계약은 2019년 3월 7일 베이징에서 러시아국영원자력공사(Rosatom)의 엔지니어링 자회사인  AtomStroyExport사와 CNNC(China National Nuclear Corporation) 간에 체결되었다.

Rosatom 측은 푸틴 러시아 대통령이 작년 6월 중국을 방문한 가운데 서명한 전략적 협정 패키지에 따라 이 계약을 준비해 왔다고 밝혔다. 이 패키지는 향후 수십 년 동안 러시아와 중국의 원자력 산업 협력을 규정하고 있다고 덧붙였다.

이 협정에는 Tianwan 7,8호기 용으로 2기의 VVER-1200 원전과 Xudabao 신규부지에 건설될 2기의 VVER-1200 원전에 대한 건설사업이 들어 있다. CNNC와 Rosatom사는 작년 11월 초 Tianwan 7,8호기에 대한 계약에 서명해 협정 이행의지를 표명한 바 있다.

Tianwan 원전 1단계사업인 1,2호기는 1992년 중국과 러시아 간에 체결된 협력협정에 따라 건설되었다. 최초 콘크리트 타설은 1999년 10월에 있었으며 2007년 6월과 2007년 9월 상업운전에 돌입한 바 있다.

Tianwan 원전 2단계인 3,4호기는 1단계와 원자로 구성이 같은데 러시아 Gidropress사가 설계하고 Rosatom이 공급한 AES-91형 VVER-1000 원자로로 구성되어 있다. 2012년 12월 최초 콘크리트 타설이 이뤄진 3호기는 2018년 2월 15일 상업운전에 들어간 바 있다. 4호기는 2013년 9월 건설이 착수되어 2018년 10월 말 송전망에 연결되었다.

Tianwan 원전 3단계인 5,6호기는 원래 2011년 초 착공이 예정되어 있었으나 2011년 3월 일본 후쿠시마 제1원전 사고로 인해 중국 정부가 신규원전 건설승인을 보류한 바 있다. 건설보류에는 다른 신규원전 사업도 포함되어 있었다. 그러나 최종 5개년 계획에서 Tianwan 원전 3단계 건설 추진을 가속화를 요구했다. 중국 국무원은 Tianwan 원전 3단계인 5,6호기 건설허가를 2015년 12월 16일 발급했으며 중국이 설계한 1,080 MWe급 ACPR1000 원전이 들어갈 예정이다. 최초 안전성관련 콘크리트 타설은 5호기가 2015년 12월 27일, 6호기는 2016년 9월 7일이뤄진 바 있다. CNNC는 5,6호기 모두 2021년 말 경 상업운전을 계획하고 있다.

Xudabao 신규원전 프로젝트는 원래 중국이 설계한 6기의 CAP1000을 건설하는 것으로 계획되었으며 1단계는 이 중 2기를 건설하는 것이었다. 부지준비 작업은 2010년 10월 시작되었다. 중국 국가개발개혁위원회(National Development and Reform Commission)는 2011년 1월 이 프로젝트를 승인한 바 있다. NNSA(National Nuclear Safety Administration)는 2014년 4월 Xudabao 1,2호기 부지선정을 승인했다. 2018년 9월 Rosatom은 Xudabao 3,4호기의 시운전도 2027~2028년 희망한다고 밝힌 바 있다.

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. CAP1000 원전,VVER-1200 원전,Xudabao 신규부지 2. CAP1000,VVER-1200,new Xudabao site

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미래 원자력 핵심기술 공동 개발을 위해 한국과 미국의 정부 관계자들이 만난다.
 
 과학기술부는 10월 16일 대전에서 미국 에너지부와 ‘한·미 I-NERI 위원회(Bilateral International Nuclear Energy Research Initiative Committee, BINERIC)’를 개최한다.

 이번 회의에서는 그동안 한·미 공동으로 추진해온 기술개발 과제에 대한 연구 성과를 점검하고, 올해부터 신규로 추진할 과제를 최종 선정한다. 또한 I-NERI 프로그램의 향후 협력분야 및 내년도 추진일정 등에 관해서도 폭넓게 논의할 계획이다.

 그동안 한국은 한·미 I-NERI 프로그램을 통해 원자력 기술 수준을 한 단계 끌어올리는 발판을 마련하였으며, 소듐냉각고속로(SFR), 초고온가스로(VHTR) 등 차세대 원자력시스템 개발에 필요한 핵심 기술들을 공동 개발해 왔다.

 

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
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• (개요) 美 로렌스 리버모어 국립연구소는 에너지부(Department of Energy) 산하 국가핵보안국(NNSA: National Nuclear Security Administration)), HPE, AMD와 협력하여 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 El Capitan을 SC24(Supercomputing Conference 2024)에서 소개 - El Captian은 이론성능 2.79 EFlops, 실측성능 1.742 EFlops 세계 1위 슈퍼컴퓨터 - 美 NNSA 3개 연구소인 로렌스 리버모어 국립연구소, 로스 앨러모스 국립연구소, 샌디아 국립연구소의 주요 컴퓨팅 자원으로 사용 예정 - 핵 비축물 관리 프로그램을 위해 필수적인 모델링/시뮬레이션 제공 및 핵 비축물 인증, 핵 비확산 및 대테러와 같은 핵 안보를 위한 중요 임무 지원 - 또한, 소재 발견, 설계 최적화, 첨단 제조, 디지털 트윈, 기밀 데이터를 기반으로 학습된 지능형 AI 어시스턴트와 같은 AI 기반의 혁신적인 워크플로우를 지원

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
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영국의 핵발전소 해체와 새로운 건설 프로그램을 좌초시킬 수 있는 기술인력의 부족에 대한 우려가 이 분야의 가장 큰 노동조합에서 제기되었다. 엔지니어, 과학 및 관리 노동조합인 Prospect는 500억 파운드가 투입되는 핵발전소 해체 및 차세대 핵발전소 건설을 앞두고 부정한 방법으로 엔지니어를 스카우트하는 사례가 확산되고 있다고 주장했다. 영국의 핵발전소 안전상황을 규제하고 있는 핵발전사업 사찰단(Nuclear Industry Inspectorate)은 이미 새로운 기술인력을 구하기 어려워졌으며 에너지 분야에 공통적으로 나타나는 현상이라고 인정했다. Prosepct의 전국조합장인 마이크 그래이험(Mike Graham)은 '이 분야의 사업이 현재 마주하고 있는 가장 큰 문제는 기술인력 부족이다. 이 문제는 현재 우리가 해결해야 할 문제의 가장 우선 순위에 있다. 현재 숙련기술자로부터 석사 이상의 인력까지 훈련된 인력이 부재한 상황으로 이러한 현상은 핵엔지니어 분야에 대한 교육을 받지 않았기 때문'이라고 말했다.

오랫동안 대중들의 적대감과 새로운 핵발전소 건설 계획에 대해 정부의 관심 부재로 인해 많은 인력이 불확실한 미래로 인해 핵발전분야를 떠났다. 하지만 수상인 토니 블레어는 수명이 다한 핵발전소의 해체를 민영업체에 맡기는 안을 결정하면서 핵에너지 분야의 위상이 높아지기 시작했다. 핵발전소 해체작업은 수상이 새로운 차세대 핵발전소 건설계획을 주장하면서 좀더 각광받기 시작했다. 지금까지 핵에너지 분야의 직업은 거대한 두 개의 사업체로 한정되어 왔다. 즉 현재 컴브리아지역의 핵발전소인 셀라필드 (Sellafield)의 핵발전소를 관리하고 있는 국영 영국핵연료(British Nuclear Fuels, BNFL)사와 민영 핵 에너지 관리 업체인 영국 에너지(British Energy)이다. 하지만 현재 이온(E.On)사와 RWE와 같은 주요 전기공급업체들은 핵시설을 건설하고 관리할 계획을 고려하고 있으며 아멕(Amec)사와 같은 엔지니어 회사는 핵발전분야에 대한 전문가 분과를 만들었다.

영국의 문제는 이미 11개 국가에서 30여 개의 새로운 핵발전소가 건설 중이며 또한 수십 개의 발전소가 전세계적으로 건설될 예정으로 중국에서 러시아 그리고 미국까지 건설계획을 갖고 있어 이러한 문제와 결합되어 있다. 영국에서 현재 진행 중인 거대한 건설사업인 히드로 공항 제 5청사 건설과 채널 터널철도 건설과 같은 사업으로 인해 비숙련 노동자가 일반적으로 부족한 현상이 초래되고 있다. 이러한 건설계획들은 새로운 핵발전소 건설이 시작되기 전에 완공되어야 하지만 2012년 올림픽 준비와 겹쳐 있다. 또한 정부의 학교, 병원 및 교도소 건설프로그램과 같은 공공부문 건설계획이 민영 재정 지원 이니셔티브(Private Finance Initiative)로 넘어가 관리되고 있다. 석유 및 가스 사업부분은 이미 비슷한 인력부족 현상을 겪고 있다. 최근에 쉘(Shell)사는 사업개발 프로그램계획을 인력 및 장비의 부족으로 연기했다고 밝혔다.

세계 에너지 연구센터(Centre for Global Energy Studies)의 마누체어 타킨(Manouchehr Takin)은 '산업분야는 항상 순환적이며 1998년에서 1999년 사이의 침체기간 동안 많은 사람들이 석유산업분야를 떠났다. 해안가의 반잠수 펌프거나 핵발전에 필요한 좀더 발전된 기술이 되었건 항상 용량의 한계가 존재했다'고 말했다. 영국의 항공엔진 생산회사인 롤스-로이즈와 같은 최고기술의 엔지니어 회사는 영국의 감소하고 있는 기술능력으로 인해 해외로 연구 및 발전부서를 이전해야 했다. 롤스-로이즈 사의 존 로스(John Rose) 회장은 최근에 전기 및 전기공학 학생들의 숫자가 2년 만에 30% 정도 감소했다고 주장했다. 핵발전산업 사찰단은 180명의 사찰단이 필요하지만 165명 밖에 확보하지 못했다고 인정했다. 사찰단의 대변인은 '우리는 각 부서에 적절한 인력을 충원하는데 어려움을 겪고 있다. 전체 사업체와 다양한 이니셔티브에 걸쳐 적절한 인력을 찾는 문제가 제기되고 있다'고 말했다.

120개의 핵발전 산업을 대표하고 있는 핵산업협회(Nuclear Industry Association)는 미래 인력부족 문제에 대한 우려를 거부했다. 하지만 이 협회는 잠재적으로 핵발전기 디자인과 안전 및 인가에 있어서 비합치점이 존재할 수 있다고 인정했다. 이 협회의 대변인은 '현재 경험 있는 인력은 앞으로 5년에서 10년 사이에 은퇴하는 연령에 도달하게 된다'고 경고하면서 그렇지만 아직도 배치할 수 있는 인력을 훈련시킬 수 있는 시간이 있다고 주장했다. 이 협회는 '영국의 핵발전 산업의 기업들은 새로운 핵발전소 건설프로젝트에 필요한 80% 이상의 인력을 충원할 수 있는 능력이 있다'는 연구결과를 제시하고 있다. 이 연구는 15년에서 20년 안에 다섯 곳에서 10개의 핵원자로를 건설할 것이라는 예상 하에 이루어진 것이다. 이 발전소들은 연간 64,000명의 인력이 필요하며 이 시스템은 많은 기한연기 가능성을 가지고 있다고 주장했다. 이 연구는 '새로운 핵발전소를 건설하기 위한 자원의 필요는 전체 국가의 능력에서 2%에서 3% 정도의 적은 비율만 필요로 한다. 새로운 핵발전소의 건설은 2012년 올림픽 건설 이후에 이루어지게 될 것'이라고 주장했다. 또한 Prospect의 조합원들은 핵발전 산업에 부흥과 발전소 해체의 복잡성을 이해하는 인력의 필요성으로부터 혜택을 얻을 것이다. 맥그래이험은 '장기적으로 고용인은 새로운 고용주로부터 고용계약시점에서 10,000파운드의 渦汐鳧?받을 수 있으며 연금을 유지하고 다른 장려금을 받을 수 있을 것'이라고 말했다.

20년에 걸쳐 다섯 개의 새로운 트윈-원자로를 건설하는 프로젝트는 수천 명의 새로운 직업을 창출하게 될 것이라고 원자력 산업계는 주장하고 있다. 현존하는 지역인 컴브리아(Cumbria)와 서포크(Suffolk) 또는 스코틀랜드에서 새로운 핵발전소의 건설을 통해 높은 보수를 받는 직업이 지속될 수 있는 가능성은 낮을 수 있다. 전반적으로 대중들은 핵발전소의 안전성에 대한 고려로 인해 의견을 보류하고 있는 반면에 지역주민들은 현존하는 발전소가 창출하는 일자리로 인해 발전소 건설을 환영하고 있다.

핵발전 사업협회(Nuclear Industry Association, NIA)는 앞으로 20년 동안 새로운 발전소 건설에 64,000명의 인력이 필요할 것으로 보고 있다. 일부 250개의 일자리는 프로젝트 관리와 기술적인 지원 부분에서 창출되며 2,400개의 일자리가 건설 및 발전소 지역개발과 연관되어 창출될 것으로 보이며 1,000개의 일자리가 제조직종에서 창출될 것이다. 이러한 일자리 창출기회의 확대에 관심을 갖고 있는 NIA는 10개의 새로운 시설에 대해 3,000개의 일자리를 창출하여 60년 주기의 발전소 가동을 관리할 것이라고 주장하고 있다. 일부 일자리는 현존하는 핵발전소가 끝나면서 잃게 되는 일자리를 대체할 것이다. 2030년까지 사이즈웰 B(Sizewell B) 만이 가동할 것이라고 예측하고 있다.

* kosen21 참조

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□일본원자력산업협회는 10.26 유럽원자력산업협회(Nucleareurope)가 발표한 「새로운 원자력 솔루션:소형모듈 원자로*」 보고서 정리(’22.11)

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
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최근까지 지구온난화 문제 해결을 위해 지구공학을 활용한다는 개념은 매우 회의적이었다. 하지만, 기후변화의 영향이 생각보다 심각한 재앙을 야기할 수 있다는 전망이 대두되면서 지구공학의 중요성도 다시 주목 받고 있다.

 

지구공학과 관련해 정책입안자들이 충분히 인지하고 숙고해야 할 쟁점들이 있다. 이들 문제는 주로 SRM(Solar Radiation Management: 태양복사관리)과 관련되어 있다. SRM은 지구공학의 다른 한 축인 CDR(Carbon Dioxide Removal: 이산화탄소제거)보다 리스크가 크기 때문이다. 이와 관련한 주요 쟁점들은 다음과 같다.

 

l  의도하지 않는 부정적 결과 – 지구물리계와 생태계에 대한 지식과 정보가 거의 전무하기 때문에 상황이 더욱 악화될 수 있다.

l  실효성 문제 – CDR 방법의 실효성이 너무 미미하기 때문에 천 년의 시간이 흘러야 효과를 기대할 수 있다.

l  온실가스 감축 노력의 퇴보 위험 – 정책입안자들이 지구공학이 기후변화에 대처하는 저비용의 방안이라고 판단할 경우 온실가스 감축 노력이 흐지부지 되거나 중단될 수 있는 빌미를 제공할 수 있다.

l  갑작스런 대재앙 발생 위험 – 지구공학이 온실가스 감축의 대안으로 활용되어 대기 중에 고밀도의 CO2 층을 형성할 경우 향후 천 년 동안 전쟁이나 경기침체 또는 테러 등의 이유로 지구공학 활동이 제대로 수행되지 않는 경우 대재앙에 가까운 온난화가 발생될 수 있다.

l  평등성 문제 – 지구공학 활동이 범 지구차원에서 온난화 기조를 막는데 성공한다고 해도 일부 지역에서는 가뭄이나 기근을 초래할 수 있다.

l  합의도달의 어려움 – 탄소배출 감축보다 전 세계적 합의를 이끌어 내기 어렵다.

l  무기화 가능서 – 기후통제 기술이 무기로서 이용될 수 있다.

l  태양에너지 효율성의 감소 – SRM에 의해 태양복사가 1% 감소할 경우 태양광 집광시스템의 평균 산출량은 4-5% 감소된다.

l  공익보다 우선되는 집단의 이해관계 가능성 – SRM 기술개발에 투명성이 결여되어 집단의 이익을 위해 부적절하게 이용될 수 있다.

l  R&D 프로그램의 부조리 가능성 – 부적절한 R&D 프로그램 운용으로 연구자 집단이 이익단체로 변모될 가능성이 존재한다.

 

지구공학이 어려운 문제점을 수반하고 있지만, 기후변화 문제는 분명 심각한 위험이라는 인식이 힘을 얻고 있는 상황에서 지구공학을 비롯한 모든 방안들을 철저하고도 신속하게 검토해야 한다.

 

[목차]

서론

1.     지구공학 관련 주요 쟁점

2.     재앙을 막을 수준으로 빠른 시간 내에 온실가스를 감축할 수 있는가?

3.     지구공학 시나리오

4.     지구공학 거버넌스(Governance)

5.     정책입안자를 위한 권고안

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
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영국 유니버시티 칼리지 런던(University College London), 독일 베를린 공과대학(Technische Universität Berlin), 미국 국가재생에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory), 프랑스 로에-랑게빈 연구소(Institut Laue-Langevin)의 연구진은 리튬 이온 배터리의 성능 저하와 노화를 분석할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 기술은 중성자와 X-선을 사용해서 리튬 이온 배터리를 분석했다.

리튬 이온 배터리는 매우 작은 공간 속에 에너지를 저장하여 스마트폰, 노트북, 전기 자전거, 자동차에 전력을 공급한다. 리튬 이온 배터리는 배터리 전극을 원통형으로 감아서 만들어진다. 이것은 전극이 높은 용량과 빠른 충전이 용이하도록 큰 표면적을 가져야 하기 때문이다.

이번 연구진은 두 개의 단층 촬영 방법을 조합해서 충전 및 방전 중의 전극 표면을 조사했다. 프랑스 그리노블에 있는 ESRF(European Synchrotron Radiation Facility)에서 X-선 단층 촬영을 수행했고, 이것을 통해서 전극의 미세 구조를 분석하고 충/방전 동안에 발생하는 변형 및 불연속을 감지할 수 있었다.

또한 중성자 단층 촬영법(Neutron tomography)은 리튬 이온의 이동을 직접 관찰해서 시간이 지남에 따라 배터리 셀의 전해질 분포가 어떻게 변하는지를 확인할 수 있었다.

이번 연구에는 새로운 수학적 방법이 적용되었다. 기존에는 배터리 전극의 원통형 와인딩(winding) 때문에 배터리 전극을 정량적으로 검사하기 어려웠는데, 이 수학적 방법을 통해서 이것이 가능하게 되었다. 이 수학적 알고리즘은 돌돌 말려진 파피루스 두루마리를 가상적으로 펼치기 위한 방법으로 이전에 사용되었고, 이번 연구진은 이 알고리즘을 수정하고 개선시켰다. 상용 리튬 배터리에 이 알고리즘을 적용한 것은 이번이 처음이다.

이 방법을 사용하여 배터리에서 발생하는 문제점을 조사할 수 있었다. 예를 들어, 내부 권선과 외부 권선의 전기 화학적 활성을 각각 확인할 수 있었다. 전기 화학적 활성이 서로 다르면 리튬 용량에서 심각한 문제가 발생하고 배터리의 상부와 하부가 매우 다르게 작동할 수 있다. 중성자 단층촬영 데이터는 전해질 부족이 발생하는 영역을 보여준다. 이것을 통해서 각 전극의 기능이 얼마 정도 저하되었는지를 확인할 수 있다. 또한 양극에는 리튬이 균등하게 탑재되어야 하는데, 중성자 단층촬영 데이터로 실제로 그런지 그렇지 않는지를 판단할 수 있다.

이 프로세스는 작동 중인 배터리 내부를 조사해서 성능 손실이 발생하는 이유와 위치를 정확하게 분석할 수 있게 한다. 이것은 배터리의 설계를 개선할 수 있는 새로운 방법을 제시할 수 있을 것이다.

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 리튬 이온 배터리; 중성자; 엑스선 2. lithium ion battery; neutron; X-ray

한국천문연구원이 항공기 탑승 시 피폭되는 우주 방사선을 직접 확인할 수 있는 웹사이트를 열었다.   우주방사선은 태양과 태양계 외부에서 생성돼 지구로 유입된다. 대부분은 지구 자기장에 의해 차단되지만, 상대적으로 에너지가 높은 입자들은 지구 대기로 침투한다. 지표면에서는 크게 위협적이지 않지만 비행기를 자주 타는 탑승객과 승무원의 경우 피폭되는 우주 방사선량을 무시할 수 없다. 최근 5년간(2017~2021년) 항공 승무원의 연간 평균 방사선 피폭선량이 병원·원전 등 기타 방사선 작업 종사자의 2~7배에 달한다. 이는 승무원의 방사선 피폭량을 신뢰도 있는 모델로 정확하게 계상하는 노력이 필요하다는 것을 의미한다. 일반적으로 서울에서 미국이나 유럽을 왕복하는 비행기를 탈 경우, 흉부 X선 촬영을 한 번 한 것과 비슷한 0.1밀리시버트(mSv)의 우주방사선에 노출되는 것으로 알려져 있다.   현재 대부분의 국내 항공사는 미국 모델(CARI-6M)로 우주방사선을 측정하고 있다. 하지만 CARI-6M은 태양 우주방사선을 고려하지 않고 연중 변화가 거의 없이 일정한 은하 우주방사선만을 고려한 모델이다. 그러나 태양의 흑점 폭발하거나 ‘코로나 질량 방출’(태양풍 폭발 현상) 등 태양에 갑작스러운 변화가 생길 때, 지구로 오는 양성자 수가 급증해 피폭량이 늘어날 수 있다.   이에 한국천문연구원은 독자적인 우주방사선 예측 모델 ‘KREAM(Korean Radiation Exposure Assessment Model for Aviation Route Dose)’을 개발했다. 이 모델은 우주방사선의 주요한 원인인 은하우주방사선과 태양우주방사선을 모두 고려해 피폭량을 계산한다.   웹사이트(kream.kasi.re.kr)에 접속해 여행 날짜와 입·출국 공항 혹은 도시명을 입력하면 승객과 승무원들이 탑승할 예정인 항로의 우주방사선 피폭량 예측 정보를 사전에 계산해볼 수 있고, 여행이 끝난 이후 과거 기록에 해당되는 항로의 피폭량 또한 확인할 수 있다. 현재는 대한항공이 운항하는 항공로에 한해서만 피폭량을 계산하고 있다. 추후에 단계별로 확장하여 타 항공사가 운항하는 항공로에 대해서도 서비스할 예정이다.   KREAM 개발 총괄책임자인 황정아 한국천문연구원 책임연구원은 “항공기 우주방사선 안전관리를 위한 생활주변방사선안전관리법 개정안이 최근 통과됐고, 체계적이고 신뢰도 있는 우주방사선 측정과 평가 프로그램이 절실한 시점에 한국의 독자적인 예측 모델을 개발했다”며, “KREAM 모델 서비스를 활용해, 승객 및 승무원의 항공기 우주방사선 안전관리를 위한 신뢰성 있는 데이트베이스를 지속적으로 구축해 나갈 예정”이라고 전했다.  

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
• Keyword :

최근, 중국과학원 대련화학물리연구소 촉매기초 국가중점실험실 Guo-xiong Wang, Fan Yang 및 중국과학원 Xin-he Bao 연구팀은 금속-산화물 계면(interface)이 강화된 전기촉매환원 연구에서 새로운 성과를 취득하였고 관련된 연구 성과는 「미국화학회지」에 발표(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 5652)되었다.

전기촉매로 이산화탄소를 환원하는 것은 재생 가능한 전기에너지 혹은 여유의 원자력에너지 등 청정 전기에너지를 이용하여 안정한 반응조건에서 이산화탄소를 1개 절차로 일산화탄소, 포름산, 탄수화물, 알코올류 등 부가가치가 높은 연료 및 화학품으로 전환시킬 수 있을 뿐만 아니라 동시에 이산화탄소 고효율 전환과 청정 전기에너지의 효과적인 저장을 실현하였다. 현재, 고효율 촉매제를 연구하여 전위를 낮추고 반응 선택성을 향상시키는 것은 이산화탄소 전기촉매 환원에서 가장 어려운 난제이자 핫이슈이다.

동 연구팀은 이산화탄소 전기촉매 환원의 초기 연구기초(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4288; Nano Energy 2016, 27, 35; Chem. Sci. 2017, 8, 2569; Nano Res. 2017, doi: 10.1007/s12274-017-1514-6)에서 금속-산화물 계면 촉매 limit field 효과에 대해 충분한 이해(Science 2010, 328, 1141; Nat. Sci. Rev. 2015, 2, 183; Nat. Commun. 2017, 8, 14459)에 근거하여 금속-산화물 계면구조의 탄소 운반체 Au-CeOx 촉매제를 합성하였고 다양한 촉매제에서 Au 나노입자 사이즈와 모양을 동일하게 유지하는 조건으로 Au-CeOx 계면과 이산화탄소 전기촉매 환원성능 사이의 내재적 연관성을 연구하였다.

가역수소전극으로 환산하여 -0.89V(vs. RHE)일 때, Au-CeOx 촉매제에서 일산화탄소를 생성하는 Faraday Efficiency는 89.1%에 달하여 단일 Au(59.0%) 혹은 CeOx 촉매제(9.8%)보다 훨씬 높았으며 일산화탄소를 생성하는 전류 밀도는 Au의 1.6배에 달하였다. CeOx/Au(111) 모델의 촉매제를 구축하여 High Resolution Scanning Tunneling Microscope와 Synchrotron Radiation Spectrum으로 원위치 연구를 진행한 결과, Au-CeOx 계면은 이산화탄소가 CeOx 표면 계면에서의 흡착과 활성을 현저하게 촉진하였고 물은 CeOx 표면의 환원과 이산화탄소 종의 표면흡착 안정성을 유지하였다.

밀도함수이론(Density Functional Theory)계산에 의하면, 후속의 수소 첨가 과정에서 Au-CeOx 계면은 관건적인 중간 종인 *COOH를 안정시켰고 따라서 일산화탄소의 생성과 탈착 문제를 해결하는데 도움을 준다. 이러한 계면을 강화한 이산화탄소 전기촉매 환원과정으로 Ag-CeOx 촉매체계를 확실하게 증명하였는데 이는 금속-산화물 계면 촉매체계에서 이산화탄소 전기촉매 환원에서의 보편성을 설명한다.

동 연구 성과는 이산화탄소 전기촉매 환원성능을 제어하는 새로운 방법을 제공하였을 뿐만 아니라 또한 동 연구팀이 제기한 Nano domain catalytic 개념을 확장시켰다.

그림: 동 연구에서의 실험결과 (원문그림 참조)

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 금속-산화물, 이산화탄소, 전기촉매, 환원 2. metal-oxide, carbon dioxide, electrocatalytic, reduction