KAIST "이산화탄소, '자가 재생' 촉매로 화학원료 전환"

이산화탄소를 화학연료로 전환하는 기술은 탄소중립의 핵심으로 꼽힌다. 하지만 촉매 성능이 빠르게 떨어지는 문제는 해당 기술의 상용화에 걸림돌이 돼 왔다. 국내 연구진이 '자가 재생' 촉매로 기존의 성능 저하 문제를 해결할 실마리를 제시했다.

KAIST는 생명화학공학과 정동영 교수 연구팀이 이산화탄소를 유용한 화학연료 물질로 전환하는 전기화학 반응에서 촉매 성능이 저하되는 근본적 원인을 규명하는 동시에 촉매가 반응하는 중 스스로 활성 상태를 유지하도록 하는 새로운 설계 전략을 개발했다고 11일 밝혔다.

(왼쪽부터) 정동영 교수, 안홍민·김한주 박사과정. KAIST

연구팀은 구리 촉매(이산화탄소 전환 반응에서 주로 사용)가 반응 과정에서 단순히 소모되는 게 아니라 표면 구조가 지속해서 변화하는 '재구성(reconstruction)' 과정을 거치는 점에 착안해 연구를 진행했다.

이 결과 재구성 방식에 따라 촉매의 성능과 수명이 크게 달라진다는 점과 구리 촉매의 재구성 과정이 크게 두 가지 방식으로 나뉜다는 사실을 확인했다.

첫 번째는 촉매 표면에 산화물이 형성됐다가 다시 환원되는 과정을 반복하는 방식으로 일시적 활성이 증가하지만, 장기적으로는 촉매 성능 저하로 이어졌다. 이와 달리 두 번째 방식은 촉매 금속이 전해질 속으로 일부 녹았다가 다시 촉매 표면에 붙는 과정을 반복하는 형태로 촉매 표면에 새로운 반응 자리인 활성점(active site)이 계속 만들어지는 것이 확인됐다.

연구팀은 이러한 원리를 활용해 촉매가 반응 중에도 스스로 활성 상태를 유지하도록 하는 방법을 제시했다.

전해질에 극미량의 구리 이온을 넣어주면 촉매 표면에서 금속이 녹았다가 다시 붙는 과정이 균형을 이루며 반복되고 이 과정에서 새로운 활성점이 지속해서 형성된다. 이를 통해 촉매가 장시간 안정적인 성능을 유지할 수 있다는 게 핵심이다.

구리 촉매 재구성 모식도. KAIST

연구팀이 개발한 기술은 별도의 복잡한 공정이나 높은 전압 조건 없이 구현할 수 있어 에너지 소비를 크게 줄이는 동시에 에틸렌, 에탄올 등 고부가가치 C₂ 화합물을 안정적으로 생산할 수 있는 가능성을 높인다. C₂ 화합물은 탄소 원자 두 개로 이루어진 화합물이다. 플라스틱, 연료 등의 원료로 활용돼 산업적으로도 중요한 화학 물질로 꼽힌다.

이번 연구는 촉매를 단순히 잘 만드는 것을 넘어 반응이 진행되는 동안 '촉매가 스스로 좋은 상태를 유지'하도록 하는 새로운 설계 개념을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다. 이 개념은 향후 이산화탄소 전환 기술 뿐 아니라 다양한 전기화학 에너지 변환 기술로 확장될 가능성이 있다.

정 교수는 "이번 연구는 촉매가 지속해서 최적의 활성을 유지하도록 만드는 새로운 전략을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 김한주 박사과정생과 안홍민 석박사통합과정생이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 성과(논문)는 지난달 5일 화학 분야 국제 학술지 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society·JACS) 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr