이산화탄소에서 석유화학 원료 뽑아낸다..내구성잡은 촉매 개발

- KBSI-UNIST-부산대 공동연구, CO 생성효율 90% 이상 달성

금 나노촉매와 비교 촉매들에 대한 (a) CO 페러데이 효율 그래프 (b) 금 나노입자 표면에서의 CO2 분해 및 CO 생성 메카니즘(CO2 흡착 → 중간생성물 형성 → CO 형성 → CO 탈리) 모식도.[KBSI 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 골칫덩어리 이산화탄소(CO2)로부터 일산화탄소(CO)의 생성 효율을 획기적으로 높이는 촉매 기술이 개발됐다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 연구장비개발부 이계행 박사 연구팀이 부산대학교 화학과 남기민 교수 연구팀, 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이호식 교수 연구팀과 함께 금 나노입자 표면에 일어나는 CO2의 분해 메카니즘을 원자 수준에서 규명하고, 촉매 표면을 개질해 낮은 전압에서도 CO 생성률을 세계 최고 수준으로 확보하는데 성공했다고 28일 밝혔다.

온실가스의 주요 물질인 CO2는 지구 온난화의 주범이지만 반면에 플라스틱, 연료 등 석유화학 원료 제조에 꼭 필요한 CO의 주요 성분이기도 하다. CO2는 안정적인 분자로서 활용할 수 있는 CO로 분해되기 위해서는 촉매가 반드시 필요하다. 일반적인 촉매들은 CO2의 분해 과정에서 H2(수소)와 CO가 동시에 생성되기 때문에, CO의 순도가 낮아 원료로 쓰기에는 부적합하다.

많은 연구자들이 염화 이온, 시안화 이온, 싸이올 등의 기능성 화학물질(작용기)로 촉매 표면을 개질, 생성된 가스에서 CO의 순도를 높여 왔다. 하지만 이러한 전기화학 촉매들은 순도 높은 CO를 생성하기 위해 지속적으로 과전압을 인가해야 하며, 촉매의 사용 시간이 늘수록 촉매 표면에 존재하는 기능성 화학물질들이 점점 소멸됨으로써 CO의 생성 효율이 떨어지는 내구성 저하의 문제가 있었다.

연구진은 계면활성제의 화학적 특성을 활용, 낮은 전압에서도 CO의 선택적 생성률을 획기적으로 높인 금 나노 촉매를 개발했다. CO2 분해용 금 나노입자 촉매는 –0.4 ~ -1.0V(기준전극 RHE)의 전압 범위에서 CO 생성률에 대한 페러데이 효율 90% 이상을 달성했다. 특히, –0.6V 에서 최대 98%의 생성률에 도달했다.

또한 -0.7V에서 16시간 동안 연속적인 촉매 반응을 진행해도, CO 생성 패러데이 효율이 90% 이상을 꾸준히 유지해 내구성도 크게 향상됐다.

왼쪽부터 임윤지 학생연구원(제1저자), 이계행 책임연구원(공동교신저자), UNIST 이호식 교수(공동교신저자), 부산대 남기민 교수(공동교신저자)[KBSI 제공]

이러한 우수한 성능은 표면 개질제로 활용한 계면활성제의 염화 이온이 촉매 표면에 결합돼 CO2는 물론, 분해 과정에서 여러 단계마다 생성되는 중간 생성물들과 촉매 표면과의 결합 에너지를 높임으로써, CO의 선택적 생성이 증가된 데서 비롯됐다. 또한 계면활성제의 암모늄 양이온이 염화 이온의 탈리를 억제해 장시간 촉매를 사용해도 촉매 성능은 지속된다는 것을 규명했다.

연구진은 “이번 연구는 현재까지 개발된 CO2 분해용 및 CO 생성용 촉매들의 높은 과전압 사용과 낮은 내구성의 한계를 간단한 계면활성제 처리만으로도 해결할 수 있는 기술을 제시함으로써 향후 촉매 기술 개발의 새로운 영역을 연 것”이라며 “후속 연구로 CO2 분해용 후보 촉매들에 대해 본 기술을 적용해 성능 향상 여부를 확인하고, 이를 통해 사업화가 가능한 촉매 개발 연구를 기획하고 있다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 5월 2일자에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com