고효율·고안전성 CO 생산 가까이…에너지연, 니켈 단일원자 고효율 촉매 개발

이번 연구로 개발한 이산화탄소 환원반응 메커니즘

세계적으로 폭우, 폭염 등 기상이변이 지속되면서 기후변화 주요 원인인 이산화탄소(CO₂)를 유용자원으로 전환하는 업사이클링 기술이 주목받고 있다. 이런 가운데 국내 연구진이 전환에 필요한 고효율 촉매를 개발에 성공했다.

한국에너지기술연구원(원장 이창근)은 김영은 탄소전환연구실 박사팀이 CO₂를 알코올, 플라스틱 등 다양한 화학제품 기초물질인 일산화탄소(CO)로 전환시키는 니켈 단일원자 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

개발 촉매는 기존 은 나노입자 촉매보다 30배 더 적은 금속양을 사용하고도 CO 생산속도를 최대 7배까지 향상시켜 생산비용을 크게 낮출 수 있다.

CO₂를 CO로 전환하려면 금, 은과 같이 비싼 귀금속 촉매가 사용돼 상용화가 어려웠다. 최근에는 철, 니켈과 같이 저렴한 촉매로 대체되고 있으나, 촉매 제조과정이 복잡하고 CO 생산속도도 낮아 추가적인 기술개발이 요구됐다.

연구진은 니켈 단일원자 촉매를 개발했다. 니켈원자를 질소원자와 결합한 후 탄소나노튜브 위에 고르게 분산시켜 적은 양으로도 높은 반응성을 얻는 데 성공했다.

질소원자는 니켈과 같은 전이금속의 화학적 흡착을 크게 증가시키는데, 이로 인해 니켈의 반응이 활발해져 전체적인 반응속도가 향상된 것이다.

에너지연 탄소전환연구실 인원. 윗줄 왼쪽부터 시계방향으로 홍주미 학생연구원, 다니엘 탄 학생연구원, 전예은 학생연구원, 고유나 선임기술원, 김영은 선임연구원, 이원희 책임연구원.

또 대부분 단일원자 촉매 합성은 열처리와 산처리 등 여러 복잡한 과정이 필요하지만, 개발 촉매는 니켈과 질소를 포함한 전구체(최종 전단계 물질)와 탄소지지체를 혼합하고 열처리를 진행하는 간단한 공정으로 합성할 수 있어 향후 대량생산도 용이하다.

개발 촉매는 상용 음이온교환막 적용 실험 결과 100밀리암페어(㎃)/㎠ 조건에서 70시간 동안 98%의 높은 선택도와 안정성을 유지했다.

김영은 박사는 “향후 저가 단일원자 촉매 기반 막전극접합체와 셀 개발이 완성돼 산업체에 이전되면, CO₂를 애물단지에서 보물단지로 바꿀 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구결과는 소재·나노과학기술 분야 최우수 국제학술지 'ACS 에너지 레터스에 게재됐으며, 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업과 산업통상자원부 지원을 받아 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com