캐나다가 소형모듈형원자로((SMR, small modular reactor) 개발과 신설 분야에서 세계 리더가 될 수 있는 위치에 있다고 천연자원부 장관이 SMR 관련 보고서 출간과 관련하여 2018년 11월 7일 밝혔다.

'A Call to Action: A Canadian Roadmap for Small Modular Reactors'라는 이름의 보고서는 오타와에서 개최된 G4SR(Generation IV and Small Reactor) 컨퍼런스에서 공개되었다. 올 2월 천연자원부가 착수한 SMR 조사프로젝트의 산물이다. 10개월 짜리 프로젝트를 통해 전문가 분석, 산업체 및 수요자 면담, SMR 기술을 보유한 기관에 대한 조사 등이 진행되었다. 방사성폐기물 관리, 규제, 국제협력 등에 관해 50건 이상의 권고사항을 도출했으며 이들 권고사항에 대해 캐나다 정부가 검토 중이다.

SMR은 전통적인 원자력발전소보다 규모면에서 작아 초기 자본비가 낮고 안전성이 높은 것이 특징이다. 또한 송전망 규모의 전력생산, 캐나다 북부지역과 같은 원격지역, 광산업 및 오일샌드 채굴과 같은 산업 등 활용도가 높으며 탄소배출이 없는 에너지원이다.

보고서는 4개 분야에 대한 행동을 권고하고 있다. 첫번째는 입증 및 건설0Demonstration and Deployment) 분야로 1기 이상의 SMR 입증로 프로젝트를 연방정부 및 주정부가 산업계와 비용을 분담하여 시행할 것을 주문하고 있다. 주 정부 및 연방정부가 캐나다 내 첫 상업용 SMR 건설에 인센티브를 제공하여 민간부문의 위험을 경감시켜야 한다고 권고했다. 또한 국제시장에 캐나다에서 개발된 SMR 기술 및 혁신을 수출하는 것도 고려해야 한다고 밝혔다.

두번 째로는 정책, 입법 및 규제(Policy, Legislation and Regulation) 분야로 현행 영향평가프로세스 하에서 SMR의 위험도에 맞는 원자력손해배상 한도 및 규제범위를 정하고 방사성폐기물 관리 방안을 확립하는 것을 최우선 과제라고 밝혔다. 방사성폐기물 관리에는 캐나다가 계획 중인 심지층처분장이 SMR 기술사양에 부합하도록 캐나다 방사성폐기물관리기구(Nuclear Waste Management Organisation)에 참여하는 기술기업을 참여시킬 것도 권고했다.

세번 째 분야는 용량, 참여 및 공공수용성(Capacity, Engagement, and Public Confidence) 분야, 네번 째 분야는 국제협력 및 수출시장(International Partnerships and Markets)를 들고 있다.

보고서는 SMR은 작고, 단순하며 저렴한 원자력발전원을 찾는 시장에 대한 대응으로 나온 것이라면서 SMR이 성공한다면 세계적으로 큰 시장이 형성될 것이며 이는 기후변화나 청정에너지 정책의 결과로서 뿐만 아니라 에너지 안보 및 에너지 활용권을 해결하기 위한 것이라고 결론을 맺고 있다. 또한 캐나다가 기회를 잡아야 하는 것을 소유하고 있긴 하지만 실제 행동은 지금 해야 한다고 덧붙였다.

한편 G4SR 회의에서 NuScale Power사는 OPG(Ontario Power Generation Inc.)사가 규제기관인 CNSC(Canadian Nuclear Safety Commission)가 수행하고 있는 자사의 SMR에 대한 원자로공급사 설계검토(VDR, vendor design review)를 지원하는데 합의했다고 공개했다.

• 저자 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
• Keyword : 1. 소형모듈형원자로,안전특성,탄소배출이 없는 에너지,입증용 프로젝트 2. SMR(small modular reactor),safety feature,non-carbon emitting energy,demonstration project

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
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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

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

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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

• 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

미국, 지구공학 연구 관리: 정치적, 기술적 취약성 분석


지구 기후의 계획적인 변경, 지구공학은 위험하고도 놀라운 문제이다. 그러나 미래의 기후 변화의 정도를 제한하기 위한 선택권을 크게 바꿔놓을 수 있는 잠재력 때문에 그 개념은 최근 수년간 급증하는 관심을 이끌어 왔다. 온실 가스 방출 감소를 위한 대부분의 접근법과 달리, 몇몇 지구공학 접근법들은 빠르고 비용이 적게 든다는 것을 입증할 수 있으며 세계적인 협력 없이도 하나 또는 적은 수의 국가들에 의해 실행될 수 있다. 이러한 특징들은 최근 심각하게 고려되기 시작한 위험 관리나 국가 안보 및 국제적 거버넌스에 의미 있는 도전과제들을 제공한다.


이 보고서는 미국이 태양복사관리(SRM, solar radiation management)를 위해 추구할지  모를 초기 시험 및 국제적인 대체 접근법과 관련된 위험 비교를 제공한다. 광범위한 불확실성을 처리하기 위해 우리는 취약성-반응 옵션 분석 결정 프레임워크를 사용한다. 특히 우리는 지구공학 거버넌스에 대한 미국의 대체 정책이 그들의 목적 달성에 실패할지 모를 상황을 인식하며 대체 정책들이 그러한 취약성을 줄일 수 있는 방법들을 제안한다. 이 보고서는 강력한 의사결정(RDM) 분석의 첫 단계를 수행하기 위해 간단한 시뮬레이션을 사용하는 이러한 접근법을 실행한다. 이 분석은 지구공학 연구를 관리하는 데 있어 연구를 위한 강력한  표준 형성, 연구의 전적인 금지, 연구의 비규제라는 세 가지 공통적으로 논의된 근래의 접근법들의 몇 가지 위험성에 대해 자세히 설명한다.


이 보고서의 목표는 세 가지 목적을 달성하는 것이다. 첫 째로 이 보고서는 지구공학에 대한 논의를 제공하기 위해 취약성-반응 옵션 분석 프레임워크에 기초한 위험 분석의 잠재력을 상세히 제시한다. 둘째로 이 보고서는 그러한 거버넌스 문제를 해결하기 위해 완전한 RDM 분석을 실행할 필요가 있는 단계들을 규명하는 데 도움을 준다. 셋째로 이 보고서는 몇 가지 흥미진진한 정책 결정들을 제공한다.


이러한 분석들은 미국의 거버넌스가 최근의 지구공학 거버넌스에 관해 추구할지 모를 세 가지 대체 정책들을 비교한다. 이 보고서는 SRM 기술에 초점을 맞추고 있는데, 그 이유는 이와 같은 기술들이 지구공학을 매력적이면서 위험하게 만들고, 빠르게 반응하면서 잠재적으로 상당히 비용이 들지 않고 단독적 행동만으로도 세계적인 효과를 야기할 수 있을 것 같은 전반적인 특성을 제공하기 때문이다.

 

 

[목차]
서문
도표
요약
감사의 말
약어
Chapter 1
-도입
Chapter 2
-거버넌스와 보안 문제
Chapter 3
-지구공학 거버넌스의 위험 평가를 위한 취약성- 대응 옵션 분석 프레임워크
Chapter 4
- 미국 지구공학 거버넌스 정책의 취약성 인식
Chapter 5
-결론 및 후속 단계

• 저자 : 글로벌 과학기술정책 정보서비스
• Keyword :

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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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