KAIST, CO2 70%이상 에틸렌 변환하는 전기촉매 개발

[이데일리 이연호 기자] KAIST는 화학과 송현준 교수 연구팀이 이산화탄소를 70% 이상 에틸렌으로 변환하면서 수소가스 외에 부산물이 발생하지 않는 전기화학 나노촉매를 개발했다고 28일 밝혔다.

가지 모양 구리산화물-탄소 나노촉매의 구조와 이를 이용한 전기화학적 CO2 변환 반응 및 안정성 테스트 결과. 그래픽=KAIST.

중성 탄산수 전해질을 이용해 ‘산업의 쌀’이라고 불리는 에틸렌을 70% 이상의 높은 선택성으로 제조하면서 수소 외의 부산물이 나오지 않아 다양한 에너지 제조 및 저장 반응에 이용 가능할 것으로 기대된다.

태양광과 바람으로 대표되는 신재생 전기에너지는 공급량과 수요량의 차이가 있어 과잉 공급량을 보관할 대용량 저장장치가 필요하다. 이에 전기에너지를 화학에너지로 변환해 저장하는 전기화학 프로세스가 대안으로 떠오르고 있다.

전기에너지를 이용한 이산화탄소 변환기술은 태양광을 이용한 광촉매보다 에너지 효율이 뛰어나고 메탄 뿐 아니라 에틸렌, 에탄올 등의 탄소화합물을 만들 수 있어 활용가치가 높다. 특히 ‘산업의 쌀’이라 불리는 에틸렌을 생성할 수 있어 해당 분야에서 크게 주목받고 있다.

이 기술은 에너지와 환경 문제를 함께 해결할 수 있다는 장점이 있지만 현재까지 개발된 전기화학 촉매는 선택성이 떨어지고 다양한 혼합 생성물이 제조돼 추가 분리 과정이 필요하다는 한계가 있다.

문제 해결을 위해 연구팀은 구리(I)산화물 육면체 나노입자를 합성한 뒤 산화시켜 가지 모양의 구리(II)산화물 나노입자로 합성했다. 이를 탄소 지지체 표면에 담아 구리산화물-탄소 전극 물질로 활용했고 이를 중성 수용액에서 반응 실험한 결과 이산화탄소에서 70% 이상의 에틸렌을 얻었다.

연구팀은 부산물 발생을 억제하기 위해 구리산화물이 전기에너지에 의해 환원될 때 그 구조가 작은 결정 크기를 갖도록 유도했다. 이를 통해 형성된 4~5나노미터 크기의 구리산화물 구조는 표면 반응성이 크게 향상되는 동시에 탄소 물질에 의해 안정화된 이상적인 촉매 구조를 갖게 됐다.

그 결과로 나노입자 촉매 중에서는 가장 높은 전류밀도와 안정성을 보였으며 특히 모든 촉매를 통틀어 중성 수용액 조건에서 가장 뛰어난 에틸렌 선택성을 보였다.

송현준 교수는 “전기에너지를 이용한 이산화탄소의 직접 변환 반응은 높은 효율에 비해 선택성이 낮았으나 이번 연구처럼 촉매 구조를 나노 수준에서 균일하게 조절하는 경우 반응 특성을 크게 높일 수 있다”며 “이번 연구는 나노 수준의 촉매 디자인이 고효율 에너지 제조 촉매 개발에 필수적인 역할을 하고 있음을 보여준다”라고 말했다.

이번 연구는 차세대 탄소자원화 사업단과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 김진모, 최웅 박사가 공동 1저자로 참여하고 박준우, 김민준 박사과정, 베를린공대 김청희 박사가 함께 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘미국 화학회지(Journal of The America Chemical Society)’ 4월 18일자 온라인판에 게재됐다.