이산화탄소를 석화제품 원료로 만들었다

KBSI 이계행 박사팀, 부산대·UNIST 공동 연구
촉매 구조 바꿔 일산화탄소 생성률 98%까지 끌어올려

공동연구진이 개발한 금나노촉매(빨간

[파이낸셜뉴스] 국내 공동연구진이 이산화탄소를 석유화학제품의 원료인 일산화탄소로 만드는 기술을 개발했다. 연구진은 금 나노입자를 이용한 촉매로 낮은 전압에서도 일산화탄소 생성률을 최대 98%까지 끌어올렸다.

한국기초과학지원연구원(KBSI) 이계행 박사팀은 부산대 남기민 교수팀, 울산과학기술원(UNIST) 이호식 교수팀과 함께 촉매 구조를 변화시켜 세계 최고수준으로 이산화탄소를 일산화탄소로 만드는데 성공했다.

이계행 박사는 28일 "이번 연구는 지금까지 개발된 이산화탄소를 분해해 일산화탄소를 만드는 촉매들의 높은 과전압 사용과 낮은 내구성 문제를 간단한 처리만으로도 해결할 수 있는 기술을 제시한 것"이라며 "향후 촉매 기술 개발의 새로운 영역을 연 것"이라고 말했다. 그러면서 "앞으로 이산화탄소를 분해하는 여러 촉매에 이 기술을 적용하는 성능 향상 연구로 사업화가 가능하도록 할 예정"이라고 밝혔다.

온실가스 주요 물질인 이산화탄소는 지구 온난화의 주범인 반면 플라스틱과 연료 등 석유화학 원료 제조에 꼭 필요한 일산화탄소의 주요 성분이기도 하다. 이산화탄소는 안정적인 분자로서 활용할 수 있는 일산화탄소로 분해되기 위해서는 촉매가 반드시 필요하다. 일반적인 촉매들은 이산화탄소의 분해 과정에서 수소와 일산화탄소가 동시에 만들어져 일산화탄소 순도가 낮아 원료로 쓰기에는 부적합하다.

연구진은 계면활성제의 화학적 특성을 활용해 낮은 전압에서도 일산화탄소만 선택적으로 만들어내는 금 나노 촉매를 개발했다. 이산화탄소 분해용 금 나노입자 촉매는 -0.4 ~ -1.0V(기준전극 RHE)의 전압 범위에서 일산화탄소 생성률에 대한 페러데이 효율 90% 이상을 달성했다. 특히, -0.6V에서 최대 98%의 생성률에 도달했다.

또한, -0.7V에서 16시간 동안 연속적인 촉매 반응을 진행해도, 일산화탄소 생성 패러데이 효율이 90% 이상을 꾸준히 유지해 내구성도 크게 향상됐다. 성능 확인을 위해 계면활성제를 제거한 금 나노, 싸이올 작용기로 구조를 바꾼 금 나노 촉매와의 비교 실험 결과, -0.4V에서 각각 60%, 21%의 일산화탄소 생성 페러데이 효율을 보였다. 즉, 연구진이 개발한 금 나노 촉매의 성능이 훨씬 뛰어났다.

이러한 우수한 성능은 표면 구조변화에 쓰인 염화 이온이 촉매 표면에 결합돼 이산화탄소는 물론, 분해 과정에서 여러 단계마다 생성되는 중간 생성물들과 촉매 표면과의 결합 에너지를 높였다. 그결과, 일산화탄소만 선택적으로 만드는 효율이 올라간 것이다. 또한, 계면활성제의 암모늄 양이온 때문에 염화 이온이 떨어져 나가는 것을 막아 장시간 촉매를 사용해도 촉매 성능은 지속된다는 것을 밝혀냈다.

이번 연구에서 KBSI 이계행 박사팀과 부산대 남기민 교수팀은 촉매 합성, 재료 기초성질 분석, 촉매 성능 평가를 담당했고, UNIST 이호식 교수팀은 전산모사를 통한 촉매 반응 메카니즘에 대해 밝혔다.

이번 연구결과는 과학 분야 세계적 학술지인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 온라인판에 지난 5월 2일 발표됐다.