지구온난화 주범 '온실가스' 분해 과정 관찰

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 제거해 유용한 물질로 전환하는 화학반응의 증거를 제시했다.

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.

시간 흐름에 따른 이산화탄소 분해 과정 관찰 결과.(자료=기초과학연구원)

지구온난화를 가속화하는 온실가스인 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하는 기술이 연구되고 있다. 포집한 이산화탄소를 메탄이나 메탄올과 같은 청정 연료로 전환하면 석유 의존을 극복하고 환경 문제도 해결할 수 있다.

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.

연구팀은 실제 반응 환경에서 이산화탄소 분해과정을 실시간 관찰하고자 했다. 이산화탄소 분자는 크기가 수 옹스트롬(100억분의 1미터)이기 때문에 화학 반응기 내부 압력이 충분히 증가하면 촉매 표면에서 스스로 구조변화를 일으킬 수 있다. 이러한 이론적 예측에서 아이디어를 얻어 실험에 착수했다.

연구팀은 머리카락 두께의 10만 분의 1 해상도를 지닌 상압 주사터널링현미경을 활용해 로듐 촉매 표면에 맞닿은 이산화탄소 분자의 변화를 관찰했다. 가로·세로 폭이 각각 2~5나노미터인 로듐 촉매 표면에서 이산화탄소 분자들이 서로 충돌하다 결국 일산화탄소로 분해됐다.

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.