KIST·LG화학, 탄소중립 앞당길 은나노 촉매 개발

탄소포집 활용 저장(CCUS) 핵심 기술

2050년 탄소중립 목표를 달성하기 위해 주목받고 있는 탄소 포집 활용 저장(Carbon Capture·Utilization·and Storage,CCUS) 기술에 꼭 필요한 은나노 촉매가 국내 출연연과 기업의 합동 연구를 통해 개발됐다.

전해질 범람을 막아 전기화학적 CO2 전환 성능을 높이는 소수성 은촉매를 개발한 KIST 연구팀. 사진=KIST

한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)은 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사팀이 반도체기술연구단 황규원 박사팀, LG화학 노태근 박사 연구팀과 공동연구를 통해 이산화탄소 포집 장치의 전해질 범람을 억제할 수 있는 소수성 지질 유기물이 표면에 결합된 은 나노 촉매를 개발했다고 14일 밝혔다.

은나노 촉매는 CO2를 플라스틱 등 석유화학제품의 원료인 일산화탄소로 전환하는 데 탁월한 성능을 보여 가장 활발히 연구되고 있다. 화력발전소, 정유·석유화학 공장 등에서 발생하는 CO2를 유용한 화합물로 전환하는 전기화학적 탄소포집 기술의 필수 매개체인 전해질은 반응 속도와 효율성에 영향을 주는 핵심 요소다. 그러나 이산화탄소 전해 장치의 환원 전극에서 전해질이 과도하게 흐르는 전해질 범람(electrolyte flooding) 현상은 CO2가 전극 촉매층에 전달되는 것을 방해해 CCUS 기술의 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

실시간 컴퓨터 단층 촬영에 사용된 전해조 및 단층 촬영도. 사진=KIST

연구팀은 전해질 범람 문제를 해결하기 위해 은 나노입자 표면에 지질 유기물을 결합해 물 분자와 쉽게 결합하지 않는 소수성을 지니면서 주변 반응 환경을 제어할 수 있는 새로운 은나노 촉매를 개발했다. 합성된 은 나노입자는 약 7나노미터(nm·10억분의 1m) 크기의 정이십면체 구조를 가지며 입자 표면에 소수성 지질 유기물이 균일하게 결합해 있다. 또한 기존 단위 면적당 1㎎의 촉매량보다 적은 0.3㎎으로도 높은 CO2 전환 활성을 보였다.

이번에 개발된 촉매를 활용할 경우, 적은 촉매량으로 장기간 전기화학적 CO2 전환이 가능하다는 점에서 촉매 비용을 절감하고 교체 주기를 늘려 탄소포집을 통한 일산화탄소의 생산비용이 낮아질 것으로 기대된다. 공동연구팀은 석유화학 공정 등 대규모 생산시설에 적용할 수 있도록 전기화학적 CO2 전환 실증 시스템 적용 연구를 수행할 예정이다.

상용 은 촉매와 합성된 은 촉매의 범람 정도 비교 모식도. 친수성을 가지는 상용 은 촉매의 표면은 높은 과전압에서 전해질의 범람이 발생하고, 지질 유기물이 표면에 결합되어 소수성을 갖는 합성된 은 촉매의 표면은 높은 과전압에서도 전해질의 범람이 발생하지 않는다. 사진=KIST

오형석 KIST 책임연구원은 “전기화학 시스템에서 내적, 외적 요인을 모두 고려한 촉매 합성 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “LG화학과 함께 진행된 이 연구 성과는 향후 전기화학적 CO2 전환 기술의 실증 및 상용화를 앞당길 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 Carbon to X 사업(2020M3H7A1098229), 창의형 융합연구사업(CAP21011-100)으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 국제학술지 'Nature Communications' (IF: 14.7, JCR 분야: 5.6%)에 게재됐다.

백종민 기자 cinqange@asiae.co.kr