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CO2⇒CO 전환 촉매 개발 … ‘다재다능 일꾼’ 일산화탄소 저가 생산 길 열려

최종수정 2020.09.20 14:04 기사입력 2020.09.20 14:02

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온실가스(CO2)로 일산화탄소(CO) ‘콕 집어’ 만드는 저렴한 촉매 개발
주석 촉매의 일산화탄소 생성 반응선택성 향상 원인규명
UNIST·KAIST 공동 연구진, ‘ACS Energy Letters’ 속표지 논문 게재

중공사 촉매 제작 과정.

중공사 촉매 제작 과정.



[아시아경제 영남취재본부 김용우 기자] 온실가스로 지구 온난화의 주범인 이산화탄소(CO2)를 일산화탄소(CO)로 바꾸는 주석(Sn) 촉매가 개발됐다.


이는 주석 촉매는 일산화탄소 생산에 불리하다는 50년 넘는 중론을 뒤집는 것이어서 학계의 관심이 쏠리고 있다.

이번 연구는 연료, 플라스틱, 세제와 접착제 제조 등에 폭넓게 쓰이는 ‘다재다능’한 일산화탄소를 값싸고 효율적으로 생산하는 방법을 던졌다는 점에서 의미가 크다.


울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 권영국 교수팀은 KAIST 강석태·김형준 교수 연구팀과 공동으로 저렴한 주석과 탄소 지지체 기반의 ‘일체형’ 촉매(전극)를 개발했다고 20일 밝혔다.


이 촉매는 일산화탄소만 골라서 만들 수 있는 반응 선택성이 매우 높아 일산화탄소 생산 효율이 기존 주석 촉매의 100배 이상으로 나타났다.

또 전기장을 활용해 반응 선택성을 조절할 수 있다는 것을 밝혀 학술적으로도 높은 가치를 인정받고 있다.

UNIST 권영국 교수.

UNIST 권영국 교수.



주석(Sn)은 일산화탄소를 생산하는 금, 은 기반 촉매보다 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 주석을 이산화탄소 변환 반응에 쓰면 일산화탄소보다 포름산(formic acid)이 더 많이 생긴다. 일산화탄소를 만드는 반응 선택성이 높지 않은 것이다.


공동 연구진은 탄소나노튜브를 함께 써 주석으로 일산화탄소만 콕 찍어 만들 수 있는 촉매를 개발했다.


나노(nm,10-9) 미터 크기의 주석 입자가 탄소나노튜브 표 표면에 붙으면 전기장 변화로 일산화탄소를 생성시키는 반응이 촉진된다.


주석 입자 주변의 전기장 변화로 반응물인 이산화탄소가 주석 입자 표면에 더 잘 달라붙기 때문이다.


반면 포름산을 만드는 반응은 탄소나노튜브가 유발하는 전기장 변화에 영향을 받지 않는다.

KAIST 강석태 교수.

KAIST 강석태 교수.



포름산 생성 반응과 일산화탄소 생성 반응은 경쟁관계에 있기 때문에, 개발된 촉매를 쓰면 일산화탄소는 많이 만들고 포름산 생성은 억제할 수 있는 것이다.


권영국 교수는 “주석 촉매는 포름산 생성을 촉진한다는 것이 50년 이상 된 견해였는데, 전극 전기장을 조절해 이러한 상식을 뒤집었다”고 했다.


권 교수는 “이산화탄소 변환 반응 촉매 디자인에 전기장을 어떻게 활용할 수 있는지를 최초로 증명한 연구라는 데 뜻이 깊다”고 설명했다.


이번에 개발된 지지체 일체형 촉매는 마치 도자기를 만들 듯 굽는 방식으로 쉽게 제조할 수 있다.


탄소나노튜브, 주석 나노입자, 고분자로 이뤄진 반액체 상태(Sol,졸) 혼합물을 가운데가 빈 원통 형태의 전극으로 만든 뒤 이를 고온에서 굳히는 방식이다.


가운데가 뚫려 있는 구조라 반응물인 이산화탄소 기체의 확산이 원활하다는 장점도 있다. 또 주석입자와 지지체인 탄소나노튜브가 소결 반응으로 단단히 결합해 있어 주석이 전극 표면에서 벗겨지는 문제도 해결했다.

KAIST 김형준 교수.

KAIST 김형준 교수.



연구팀은 이론계산을 통해 주석 기반 촉매에서 개미산이 아닌 일산화탄소가 생성되는 원리도 규명했다.


이 계산에 따르면 탄소나노튜브가 주석 표면의 전자밀도를 높이는 것으로 나타났다. 전자밀도가 높아져 이산화탄소가 주석 표면에 잘 흡착할 수 있는 조건이 되는 것이다.


또한 주석 표면에 형성된 전기장은 흡착된 이산화탄소가 전환돼 일산화탄소 생성 반응을 촉진하지만, 전기장에 민감하지 않은 포름산의 생성은 억제된다.


이번 연구는 재료공학·전기화학 분야의 세계적 권위지인 ‘ACS Energy Letters’ 속표지 논문(inside cover)으로 선정돼 9월 11일 출판됐다. 차세대탄소자원화연구단(NCUP)과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 이번 연구가 이뤄졌다.

ACS Energy Letters 속표지.

ACS Energy Letters 속표지.




영남취재본부 김용우 기자 kimpro7777@asiae.co.kr

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