이산화탄소→에틸렌 전환, 효율 더 높일 수 있다 [지금은 과학]

국내 연구팀, 방사광가속기 기반 X선 현미경 통해 실시간 반응 관측

[아이뉴스24 정종오 기자] 기후변화의 주요 원인인 대기 중 이산화탄소 저감을 위해 과학자들의 노력은 지속하고 있다. 그중에서도 이산화탄소를 상업적 가치가 높은 화합물인 에틸렌(C2H4)으로 전환하는 전기화학적 방식은 중요한 기술로 주목받고 있다.

이 기술은 탄소 중립을 실현할 수 있는 유망한 방법의 하나로 꼽힌다. 지탱 가능한 화학 산업으로 발전하는 데 핵심적 역할을 할 것으로 기대된다.

이산화탄소를 에틸렌으로 전환하는 촉매로 다양한 구리 기반 신소재가 개발되고 있다. 이들 촉매는 합성된 상태에서 바로 높은 활성도를 가지는 것이 아니라, 이산화탄소-에틸렌 전환 반응 중에 촉매 물질이 더 높은 성능을 보이는 ‘활성상’으로 변화하기 때문에 촉매 성능을 확보할 수 있다.

연X선 분광-현미경법 모식도. 반응 전위에 따른 산화구리와 수산화구리의 화학조성 이미징 결과. [사진=서울대]

이러한 ‘활성상’은 반응을 멈추면 사라지기 때문에 ‘활성상’이 무엇인지 직접 규명하는 것은 어려운 숙제로 남아 있었다.

특히 ‘활성상’의 모양과 화학적 구조를 실시간으로 파악할 수 있다면 촉매의 새로운 디자인 규칙을 정립할 수 있게 되고, 촉매 성능을 높일 수 있다.

이러한 ‘활성상’의 변화 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발하는 것의 난이도가 높아 이 모든 것은 난제로 남아 있었다.

서울대 화학부 임종우, 황윤정 교수팀과 한국과학기술원(KAIST) 화학과 김형준 교수팀은 방사광가속기를 활용한 실시간 연X선 분광-현미경법을 개발했다. 전기화학적으로 이산화탄소를 에틸렌으로 전환하는 반응 중 수산화구리 촉매의 나노구조와 화학적 조성 변화를 실시간으로 관찰하는 데 성공했다.

이를 위해 X선 현미경으로 관측이 가능한 전기 화학반응 마이크로셀을 특수제작했다.

이번 연구를 통해 이산화탄소 전환 반응의 효율을 높이는 ‘활성상’은 ‘2가 이온 구리상’으로 구성됐다는 것을 최초로 알아냈다. 다양한 구리 기반 촉매의 ‘활성상’을 ‘2가 이온 구리상‘으로 유도할 수 있는 전기화학적 방법론을 제시했다.

이 방법론을 적용하면 기존 촉매의 효율이 3배 이상 높아질 수 있음을 입증했다.

이번 연구는 구리 촉매의 성능을 획기적으로 향상했을 뿐만 아니라, 구리 기반 촉매의 실시간 변화 메커니즘을 규명함으로써 다른 구리 촉매에도 범용적으로 적용할 수 있는, 새로운 접근법을 제시했다는 점에서 눈길을 끈다.

구리 촉매의 반응 중 상변화에 관한 논쟁이 오랜 기간 학계에서 지속해 왔는데 이번 연구는 그 논란을 종식하고 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가된다.

연구 결과(논문명: Spatiotemporal active phase evolution for CO2 electrocatalysis)는 재료과학, 물리화학과 에너지 분야 국제학술지 ‘줄(Joule)’ 온라인에 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)