온실가스를 청정에너지로? 이산화탄소 분해 과정 최초 규명

KAIST, 이산화탄소 전기화학 환원반응 원자 수준 실시간 관찰 성공
차세대 탄소 자원화 기술 길 열어

이산화탄소의 전기환원 과정, 국제학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science) 표지 그림. KAIST

이산화탄소는 지구온난화를 유발하는 대표 온실가스로, 화석에너지 사용, 동식물 호흡 등의 과정에서 광범위하게 배출되고 있다.

이에 따라 세계적으로 이산화탄소 배출을 억제하는 정책과 더불어 이를 포집하는 기술을 적용하며 온실가스 줄이기에 안간힘을 쓰고 있지만, 현재도 전체 온실가스 중 이산화탄소 비중은 약 65%로 가장 많다.

이런 가운데 최근 전기환원기술을 통해 이산화탄소를 원료로 미래 청정에너지를 생산하는 방법이 급부상하고 있다.
이를 적용하면 온실가스를 제거는 물론 청정에너지 원료를 생산하는 일석이조 효과를 기대할 수 있다.

하지만 이산화탄소 활용하기 위한 화학반응 메커니즘이 지금까지 명확히 밝혀지지 않아 개발이 난항을 겪고 있다.

온실가스를 청정원료로 만드는 마법

KAIST는 화학과 박정영 교수팀이 이산화탄소 전기환원 과정에서 단원자 구리 금속촉매가 분해되는 과정을 원자단위로 실시간 관찰, 주된 반응 활성자리를 규명하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

전기화학 주사 터널링 현미경을 활용한 이산화탄소 전기환원 관찰 및 구리 프탈로시아닌 유기 분자의 산화구리 복합체 형성 과정. KAIST

전기화학반응을 이용한 이산화탄소 전환기술은 공정과 반응 조건이 비교적 간단하고, 특히 구리 기반 촉매를 사용하면 열역학적 방법으로는 불가능한 고부가가치 화합물을 생산할 수 있어 활용 가치가 매우 높다. 

하지만 이산화탄소 환원반응은 일산화탄소, 메탄, 에탄올, 수소 등 10여 가지 생성물을 동시에 만들뿐 아니라 촉매 표면구조의 변화를 일으키는 것이 문제다.

이를 해결하려면 전극 표면에서 발생하는 이산화탄소 환원반응 경로를 규명하는 것이 중요하지만, 반응이 액체 전해질 속 전극표면에서 발생하기 때문에 특정 화합물의 전환과정을 분석하기가 매우 어렵다.

이에 대해 박 교수팀은 전기화학-주사터널링현미경(EC-STM) 분석법으로 단원자 구리금속 촉매 표면에서 일어나는 이산화탄소 환원반응을 관찰하고, 이때 표면에 형성되는 산화구리 나노복합체가 주된 반응 활성자리임을 시각적 증거로 처음 제시했다. 

전해질 용액 안에서 관찰한 구리 프탈로시아닌 유기 촉매 박막의 표면 분자 구조. KAIST

특히 박 교수팀은 구리전극 표면이 이산화탄소 전환과정에서 환원되며 반응 활성도 및 촉매 표면구조가 달라진다는 점에 착안, 액체-고체 계면에서 단원자 구리금속 촉매전극과 반응하는 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 원자단위로 포착하는데도 성공했다.

이번 연구결과는 향후 고성능 촉매의 소재 개발을 위한 핵심 정보를 제공한 것으로, 이산화탄소를 청정연로로 전환할 수 있는 가능성을 높였다는 평가를 받고 있다.

박 교수는 “이번 성과는 차후 이산화탄소의 전기화학적 전환 연구 외에도 탄소중립 정책을 위한 다양한 촉매소재 연구개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이재형 기자 jh@kukinews.com