기초과학연구원(IBS)은 박정영 나노물질·화학반응 연구단 부연구단장 연구팀이 문봉진 광주과학기술원 교수, 김현유 충남대 신소재공학과 교수 연구팀과 이산화탄소 분자가 로듐 촉매 표면에서 분해되는 순간을 직접 관찰했다고 6일 밝혔다.
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다만 이산화탄소는 화학적으로 안정적이기 때문에 전환에 높은 에너지가 소모된다. 이산화탄소를 일산화탄소와 산소로 분해하는 초기 과정에는 수십 기압에 이르는 고압 반응이 필요하다. 따라서 최적 반응경로 설계와 전환 효율 향상을 위해 이산화탄소의 분해 메커니즘을 파악하는 것이 중요하다. 지금까지 분광학적 분석 등 제한적 증거만 제시되고, 이산화탄소 분해과정의 화학적 메커니즘을 원자 수준에서 정확히 알아내지 못했다.
이후 연구팀은 방사광가속기를 활용해 로듐 촉매 표면의 미세한 화학 결합 에너지 변화를 측정했다. 이를 통해 상압 환경에서 반응 시작 후 일산화탄소가 서서히 증가함을 확인했다.
또 구조변화를 일으킨 이산화탄소의 전자구름 밀도 차이가 로듐 촉매 표면에서 극대화됨을 알아내 이산화탄소 분해 시작 증거를 제시했다.
박정영 IBS 부연구단장은 “이산화탄소가 촉매 표면에서 스스로 분해된다는 이론은 오래 전 제시됐지만, 실험 증거가 뒷받침되지 않아 40여년간 난제로 여겨졌다”며 “향후 이산화탄소의 전환율에 영향을 미치는 핵심 연결고리를 규명하고자 한다”고 했다.
연구결과는 6일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 온라인 판에 게재됐다.