온난화 주범 이산화탄소를 고부가가치 화학원료로

[이데일리 이연호 기자] 한국과학기술연구원(KIST)은 청정에너지연구센터 황윤정 박사 연구팀이 한국과학기술원(KAIST) 김형준 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 온실가스로 알려진 이산화탄소를 전환해 에틸렌·에탄올 등 산업에서 활용 가능한 탄소화합물을 만들어내는 새로운 전기 촉매 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

(왼쪽) 전기화학적 이산화탄소 전환 장치 및 에틸렌, 에탄올 생산 촉매 모식도. (오른쪽) 구리, 구리/세륨산화물, 세륨산화물 촉매의 전기화학적 생산 선택도 결과. 그림=KIST.

이산화탄소, 물과 같은 원료로부터 고부가가치 화학 원료를 직접 생성하는 이산화탄소 전환기술은 경제적 가치 창출 뿐만 아니라 이산화탄소 저감에도 이바지할 수 있어 기후 변화 대응의 핵심기술로 발전할 전망이다.

전기화학적 이산화탄소 전환기술의 경우 일산화탄소나 포름산만을 선택적으로(95% 이상) 생성하는 고성능 촉매 소재들이 최근 다양하게 개발됐다. 하지만 훨씬 복잡한 반응으로 알려진 에틸렌·에탄올 등의 탄소가 두 개 이상인 다탄소 화합물을 만드는 기술은 아직 생성전류 선택도가 40~70% 수준으로 충분한 촉매 기술이 확보되지 못했다. 생성전류 선택도는 전기화학적으로 이산화탄소 전환할 때 흐른 전류 대비 에틸렌 생성에 사용된 전류의 비율을 가리킨다.

또 현재까지 구리 금속 촉매만이 전기화학적 이산화탄소 전환을 통한 에틸렌 생성이 가능한 유일한 소재로 알려져 보다 다양한 촉매 소재 설계에 한계점이 있었다. 따라서 촉매 반응의 이해 및 다양한 탄소화합물을 합성하려는 연구도 더딘 실정이었다.

KIST 연구진은 구리 촉매 소재에 ‘세리아’라는 금속산화물을 도입, 나노 계면을 조절함으로써 다탄소 화합물 선택도를 향상시킬 수 있는 신규 촉매 설계 기술을 개발했다. 균일한 구리 촉매 표면은 다탄소 생성물 합성에 적절치 못하다는 이전의 연구 결과를 바탕으로 다양한 화합물 만들 수 있도록 이종의 소재를 도입하는 접근법을 사용했다.

연구진이 도입한 금속산화물 ‘세리아’는 구리와의 계면에서 전자 및 화합물의 교환이 가능해 촉매 반응에 기여했다. 구리 나노 입자 단일 촉매의 경우 에틸렌·에탄올의 생성전류 선택도가 40% 미만이었는데 KIST 연구진이 개발한 촉매는 65%로 높은 생성전류 선택도를 보였다.

아울러 KIST 연구진은 계산·화학적 모델링을 통해 계면에서의 촉매 다양성 반응 원인을 규명했다. 특히 구리와 세리아의 계면 조절을 통해 이산화탄소 전환 생성물의 비율을 조절할 수 있었고 결과적으로 일산화탄소나 메탄과 같이 탄소가 하나인 화합물에 비해 에틸렌·에탄올 등의 다탄소 화합물의 비율을 향상시키는 구조를 찾을 수 있었다.

KIST 황윤정 박사는 “이산화탄소 전환 생성물의 다양성을 높이는 촉매 소재의 연구가 도전적이지만 새로운 가능성을 제시할 수 있을 것”이라며 “이 연구로 밝혀진 촉매 반응의 이해와 촉매 소재 개발 전략은 다탄소 화합물 합성 성능 향상에 기여해 이산화탄소 활용 기술의 실용화 가능성을 높일 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 기후변화대응기술개발사업(차세대탄소자원화 사업단, 단장 전기원)으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 최고 수준 과학전문지인 ‘ACS 에너지 레터스(Energy Letters)’ 최신호에 게재됐다.