KIST·LG화학, CCUS 상용화 걸림돌 걷어내…'전해질 범람' 막는 촉매 개발

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

연구기관, 산업계가 협력해 탄소포집·활용·저장(CCUS) 상용화 걸림돌을 걷어냈다.

한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)은 오형석·이웅희 청정에너지연구센터 박사팀이 황규원 KIST 반도체기술연구단 박사팀, 노태근 LG화학 박사팀과 이산화탄소(CO₂) 포집 장치 '전해질 범람' 억제 유기물을 표면에 결합한 은 나노 촉매를 개발했다고 밝혔다.

CO₂ 전해 장치 환원 전극에서 전해질이 과도하게 흐르는 전해질 범람 현상은 CO₂가 전극 촉매층에 전달되는 것을 방해한다. CCUS 기술 상용화에 걸림돌이 된다.

은 촉매는 CO₂를 플라스틱 등 석유화학제품 원료인 일산화탄소(CO)로 전환하는 데 탁월한 성능을 보인다. 연구팀은 전해질 범람 문제를 해결하고자 은 나노입자 표면에 지질 유기물을 결합해 물 분자와 쉽게 결합하지 않는 소수성을 지니면서 주변 반응 환경을 제어할 수 있는 새로운 은 촉매를 개발했다.

합성된 은 나노입자는 약 7나노미터(㎚) 크기 정이십면체 구조를 가지며 입자 표면에 소수성 지질 유기물이 균일하게 결합해 있다. 기존 단위 면적당 1밀리그램(㎎) 촉매량보다 적은 0.3㎎으로도 높은 CO₂ 전환 활성을 보였다.

개발한 은 촉매는 균일한 소수성을 지녀 전극 표면에 물이 과도하게 축적되는 것을 방지해 전해질 범람을 억제한다. 과전압 조건에서도 CO₂ 전환 성능을 유지하고 내구성을 높일 수 있다. 실제 3.4V 전압 조건에서 기존 촉매는 약 81.5% CO 선택도와 12시간 성능 유지를 보였지만, 새운 촉매는 약 95.5% 선택도와 50시간 이상 성능을 유지했다.

적은 촉매량으로 장기간 전기화학적 CO₂ 전환이 가능해 CCUS를 통한 CO 생산비용이 낮다. 연구팀은 석유화학 공정 등 대규모 생산시설에 적용할 수 있도록 실증 시스템 적용 연구를 수행할 예정이다.

오형석 박사는 “LG화학과 함께한 이 연구성과는 향후 전기화학적 CO₂ 전환 기술 실증·상용화를 앞당길 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com