KAIST, 이산화탄소 분해 과정 원자 수준에서 관찰 성공

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 이산화탄소(CO₂) 분해 과정을 원자 수준에서 관찰하는 데 성공했다.

이에 따라 차세대 탄소 자원화 기술 개발과 탄소 중립에 속도가 붙을 것으로 전망된다.

한국과학기술원(KAIST)은 화학과 박정영 교수 연구팀이 CO₂전기환원 과정에서 단원자 구리(Cu) 금속 촉매가 분해되는 과정을 실시간 원자단위로 관찰했다고 28일 밝혔다.

전기화학 반응을 이용한 CO₂전환 기술은 공정과 반응 조건이 비교적 간단하다.

이 기술은 특히 구리 기반 촉매를 사용하면 열역학적 방법으로는 불가능한 고부가가치 화합물을 생산할 수 있어 연구활용 가치 기대가 매우 높다.

하지만 CO₂의 환원반응은 일산화탄소, 메탄, 에탄올, 수소 등의 다양한 생성물들을 함께 만들어낼 뿐만 아니라 촉매 표면 구조의 변화를 일으키는 문제가 있다.

이 때문에 전극 표면에서 일어나는 CO₂의 환원반응 경로 규명 및 표면 구조 거동 분석이 매우 중요해지고 있으나 액체 전해질 환경에서 반응이 이루어지는 탓에 분석에 어려움을 겪고 있다.

이에 연구팀은 전기화학 주사 터널링 현미경 분석법을 적용해 단원자 구리 금속 촉매 표면에서 일어나는 CO₂환원반응을 관찰하고, 이때 표면에 형성되는 산화구리(CuO) 나노 복합체가 주된 반응 활성자리임을 시각적 증거로 처음 제시했다.

연구팀은 구리 전극 표면이 CO₂전환과정에서 환원되며 반응 활성도 및 촉매 표면 구조가 달라진다는 점에 착안, 액체-고체 계면에서 단원자 구리금속 촉매 전극과 반응하는 이산화탄소 분자의 분해 과정을 실시간 원자단위로 포착했다.

박정영 교수는 “액체-고체 계면 분석에 난항을 겪고 있는 상황에서 단원자 구리금속 기반 촉매 표면의 이산화탄소 전기환원 반응 현상을 원자수준으로 관찰할 수 있었다"며 "이를 통해 촉매 물질의 활성자리를 결정하고 정밀한 화학반응 경로 설계가 가능하다"고 말했다.

기초과학연구원(IBS), 한국과학기술연구원(KIST), 한국산업통상자원부, 한국연구재단(NRF)의 지원을 받은 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스' 온라인에 지난달 29일 게재됐다.

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