육각형 아연촉매…지탱가능 에너지 시스템 만든다

카이스트 연구팀, 관련 기술 개발

▲국내 연구팀이 육각형 아연 촉매를 내놓았다.[사진제공=KAIST]

[아시아경제 정종오 기자] 이산화탄소를 일산화탄소와 수소로 만드는 '육각형 아연촉매'가 개발됐다. 일산화탄소와 수소는 합성가스(syngas)로 탄화수소 연료를 생산할 수 있는 원료이다. 생산한 연료를 연소하면 다시 이산화탄소와 물이 발생한다. 지탱 가능한 에너지 생산 시스템이 만들어지는 셈이다.

카이스트(KAIST, 총장 강성모) 생명화학공학과 우성일 교수와 EEWS 대학원 김형준 교수 공동연구팀이 이산화탄소를 높은 효율로 환원시킬 수 있고 내구성이 강한 육각형 아연 촉매를 내놓았다. 이산화탄소는 온실가스로 지구 온난화의 주범이다. 이산화탄소를 탄소의 자원으로 사용해 연료를 만든다면 기후 문제는 물론 에너지 고갈 문제를 해결할 수 있다.

이 같은 시스템 개발을 위해서는 열역학적으로 안정적 이산화탄소를 성공적으로 변환시킬 수 있는 촉매를 개발하는 것이 중요하다. 연구팀은 문제 해결을 위해 전기화학적 시스템과 아연을 이용했다. 전기화학적 시스템은 여러 이산화탄소 변환 시스템 중 태양에너지처럼 지속가능한 전기에너지와 결합이 가능하다는 점에서 주목받고 있다.

아연은 이산화탄소 변환 촉매 중 일산화탄소를 선택적으로 생성할 수 있다는 장점이 있다. 같은 특성을 갖는 금, 은에 비해 2만분의1에 불과한 저렴한 가격 경쟁력도 갖는다. 문제는 부족한 성능으로 많은 주목을 받지 못했다. 연구팀은 아연 촉매의 성능 향상을 위해 화학 반응에 참여하는 부분의 표면적을 최대한 넓혔다. 흡착에너지를 수월하게 조절할 수 있도록 전기화학적 증착법을 통해 육각형 형태로 배열된 아연 촉매를 제작했다.

육각형이라는 구조적 특성은 효율적 이산화탄소 변환을 가능하게 했다. 선택적으로 일산화탄소가 생성되고 부산물로 수소가 발생했다. 일산화탄소와 수소는 합성가스(syngas)로서 탄화수소 연료를 생산할 수 있는 유용한 원료이다.
연구팀은 이 육각형 아연 촉매에 가하는 전압에 따라 일산화탄소와 수소 생성 비율을 다양하게 조절할 수 있음을 확인했다. 또 일산화탄소와 수소를 각각 잘 생성하는 아연의 결정면이 Zn(101)과 Zn(002)임을 밀도범함수이론(density functional theory) 계산을 통해 이론적으로 밝혔다.

육각형 아연 촉매는 이산화탄소 변환의 반응 선택성을 의미하는 페러데이 효율(Faradaic efficiency)에서 95%를 기록했다. 이 성능이 30시간 이상 지속돼 기존 귀금속을 포함한 모든 일산화탄소 생성 촉매 중 가장 긴 시간 동안의 안정성을 보였다.

우 교수는 "생산한 연료들을 연소하면 다시 이산화탄소와 물이 발생하므로 이것이야말로 지속가능한 에너지 생산 시스템이 될 것"이라고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr