KOSEN 한인과학기술자네트워크

지난 2023년 1월 28일 토요일, toronto energy 팀은 코센에서 마련해 주신 KOSEN DAY를 빌어 토론토 대학 근처 한식집에 모여 다양한 연구 분야를 가진 연구원들과 이야기를 나눌 수 있었습니다. 특히 같은 학교에 있지만 다 같이 모일 수 있는 시간과 자리를 마련하기가 항상 어려웠는데, KOSEN 의 지원이 있었기 때문에 이렇게 좋은 시간을 가질 수 있었다고 생각합니다.

각자 분야에서 가지고 있던 기존의 한계 및 대체 에너지 개발의 중요성을 함께 고민하고 더 나아가 공동 연구 제의 및 다양한 인적 네트워크 활용으로 이어지는 많은 이야기를 나눌 수 있는 자리였습니다.  KOSEN DAY에서 다시 한번 지구 환경에 대한 에너지의 중요성을 많은 연구자분들과 함께 공감하였으며, 자신의 연구분야 이외에도 많은 분야에서 다양한 지구 에너지 위기를 극복하기 위한 연구가 진행되고 있다는 것을 실감할 수 있었습니다. 이를 통하여 새로운 연구분야들을 다 같이 논의하거나 미처 다가가지 못한 접근 방식을 공유하여 새로이 깨닫게 될 수 있는 계기가 될 수 있었습니다.

◆ 막대한 산업 탄소 배출로 인해 지구 온도는 지난 세기 동안 1도 이상 급격하게 증가했습니다. 2015년에 196개 국가가 파리에 모여 2100년까지 지구 온난화를 2도 이하로 유지하기로 합의했습니다. 이 기준을 충족하기 위해 참가국들은 2050년까지 Net-zero carbon emission 을 달성하기로 합의했으며, 이를 위해서는 전 세계적으로 연간 40기가 톤의 CO2 배출이 감소해야 합니다. 그러나 기존 화학 산업에 사용되는 재료들은 2050년 Net-zero carbon emission 기준을 충족하기에는 턱없이 부족한 촉매 성능을 가집니다.

탄소 배출량을 줄이기 위한 현재의 경로와 과제 외에도 2050년 Net-zero carbon emission을 달성하기 위해 새로운 재료를 추가로 개발해야 합니다. 또한 새로 개발된 신소재를 재생 에너지를 이용하여 산업적 규모의 생산량을 달성할 수 있도록 하는 전기/광/열화학 반응의 시스템 수준 발전도 동시에 이룩해야 합니다. 마지막으로 실질적인 규모의 재생 연료 생산 시스템에서 에너지 및 기술-경제적 분석을 수행하여 신소재 개발이 탄소 중립 사회로의 진입할 때 어떠한 방향성을 가질지 준비고 다가오는 친환경 사회를 대비할 수 있습니다.

전기화학적 CO2 환원 반응(CO2RR)은 최근 몇 년 동안 진행되었지만 CO2RR은 탄산염/중탄산염 형성 및 교차를 통한 CO2 손실로 인한 에너지 손실을 겪고 있습니다. 특히, 탄소 효율, 에너지 효율, 선택성 및 안정성의 조합을 고려할 때, CO2RR 시스템은 많은 결함을 가지고 있습니다. 이러한 점에서 전기 화학적 CO 환원 반응 (CORR) 은 탄산염을 생성하지 않기에 탄소효율, 에너지 효율에 강점을 보입니다. 촉매 active sites에서 CO 가용성이 증가하면 CORR 이 증가할 수 있고(좋은 패러데이 효율, 낮은 수소 발생 반응) CO가 고갈된 경우에도 이를 유지하고 높은 탄소효율을 볼 수 있습니다. 현재 선택성과 탄소 효율을 최대화하기 위해 조정 가능한 질소 함량을 갖는 질소 도핑된 다공성 나노입자와 Cu 금속 촉매를 결합하는 활성층을 사용하여 이 CO 저장소 개념이 구현되어 있습니다.

Toronto energy 팀원들 중 몇몇은 에틸렌 및 프로필렌을 형성/개질하는 반응을 연구하고 있는데 이를 이용해 이산화탄소 배출을 효율적으로 절감할 수 있을 것이라는 의견도 있었고 열화학과 전기화학반응을 직렬식으로 이용하여 높은 에너지 효율을 가지는 열화학 반응과 높은 반응 효율을 가지는 전기화학의 장점을 동시에 취하는 방식도 좋은 대안 중 하나로 제시되었습니다.

한편으로는 세계 최고 권위의 화학자 Edward H. Sargent 교수가 지도하는 Toronto Energy팀은 탄소중립의 핵심 주축인 태양 에너지를 전력으로 변환하는 태양전지 기술과 생성된 CO2를 흡수 및 제거하는 촉매기술을 아우르는 팀 구성원으로 이루어져 심도 깊은 토론을 진행할 수 있었고, 특히 태양전지 효율을 극한으로 높일 수 있는 탠덤형 태양전지, 손실을 줄일 수 있는 메커니즘 연구, 열 및 환경 안정성을 증진시키기 위한 기법 등에 대해 많은 피드백이 오갔습니다.

◆  현재 적외선 영역에서 납 기반 물질이 뛰어난 성능을 보이고 있지만 친환경 나노소재는 꾸준히 연구 필요성이 요구되어오고 있었습니다. 여러 가지 친환경 원소를 기반으로 신물질 개발하고 photodetector 등의 성능을 높이는 연구가 필요한데, 연구 과정에서 물질의 발광 효율을 높이는 등 소재에 대한 이해를 기반으로 표면 처리 및 코어/쉘 구조 도입에 대한 방향성을 논의하였습니다.

◆  AI를 이용한 가속화된 전기촉매 재료 발굴과 그의 미래적 길은 전기촉매 성질이 향상된 재료를 발굴하는 방법을 혁신적으로 바꾸고자 하는 가능성이 큽니다. AI 알고리즘은 큰 양의 데이터를 분석하여 인간 연구자가 놓칠 수 있는 패턴을 식별하여, 성능이 향상된 새로운 재료를 발견할 수 있습니다. 이 분야가 계속해서 발전함에 따라, AI와 고속 통과 실험의 통합은 더욱 정교해질 것으로 예상되며, 연구자들은 한 번에 수천 개의 재료를 검색하고 전기촉매 성질에 관한 예측을 더욱 정확하게 할 수 있게 될 것입니다. 이 분야의 미래는 매우 밝습니다. 에너지 생산부터 환경 정화까지 다양한 산업에서의 응용 가능성이 있습니다.

그룹원들은 친환경 미래 에너지 개발을 위해 태양전지, 전기화학적 이산화탄소 전환을 통한 고부가치 탄화수소 화합물 합성과 같은 다양한 분야의 연구를 수행하고 있기 때문에, 본 미팅을 통해서 자신의 연구 분야 이외의 지식과 방향성에 대해서 알아갈 수 있었습니다. 이날 모임에서는 탄소중립 시대의 시작을 위해 우리가 할 수 있는 일, 해야 할 일을 모색하였으며, 관련 기술 및 분석 노하우를 교류하는 등 다양한 이야기들을 나누며 현지 네트워크를 견고히 하는 뜻깊은 시간이 되었습니다.

앞으로도 기회를 주신다면 이 모임을 더욱 발전시켜서 세계 기후 위기를 앞장서서 해결하는 Toronto Energy 팀이 될 수 있도록 하겠습니다. 많은 연구자분들의 활발한 토론의 장이 앞으로도 많이 열리길 기원하며 다시 한 번 이러한 자리를 준비해 주신 KOSEN 관계자분들께 감사의 인사드립니다.

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