지구온난화 주범 `에틸렌`으로 전환… 전환효율 3배 높인 촉매기술 나왔다

서울대-KAIST, 구리촉매 성능향상 원리 규명
2가 이온 구리상 통해 촉매 개선..생성효율 3배 향상

김형준 KAIST 교수

황윤정 서울대 교수

임종우 서울대 교수

서울대는 이산화탄소를 에틸렌으로 전환하는 고효율 전기화학 촉매의 형성 메커니즘을 규명했다. 방사광가속기를 활용한 산화구리 및 수산화구리의 화학조성 이미지 결과. 서울대 제공

국내 연구진이 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 고부가가치 물질인 에틸렌으로 높은 효율로 전환하는 촉매 기술을 개발했다.

서울대는 임종우·황윤정 화학부 교수 연구팀이 김형준 KAIST 교수 연구팀과 공동으로 이산화탄소를 에틸렌으로 전환하는 고효율 전기화학 촉매의 형성 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.

기후변화의 주요 원인인 대기 중 이산화탄소를 저감하는 기술 중 이산화탄소의 전기화학적 환원 기술은 온실가스 문제를 해결하고 청정에너지원 생산까지 가능해 혁신적인 친환경 기술로 주목받고 있다. 탄소중립 실현을 위한 유망한 방법 중 하나이면서 지속가능한 화학산업 발전에 핵심 역할을 한다.

이를 위해 이산화탄소를 에틸렌으로 전환하는 촉매로 다양한 구리 기반 신소재가 개발되고 있으나, 이들 촉매는 반응 중 구조적 변화와 이에 따른 성능 저하로 인해 높은 전환 효율을 달성하는 데 한계가 있었다. 이 때문에 구리 촉매가 반응 중에 어떻게 변형되고 전환 성능에 어떤 영향을 미치는지 실시간 관찰하는 것이 촉매 성능 개선의 열쇠로 여겨져 왔다.

연구팀은 방사광가속기를 활용한 X선 분광-현미경법을 개발해 전기화학적으로 이산화탄소를 에틸렌으로 전환하는 반응 중 수산화구리 촉매의 나노 구조와 화학적 조성 변화를 실시간 관찰하는 데 성공했다. 에틸렌 생성 반응이 진행되는 특정 전압에서 촉매 표면에 형성된 '2가 이온 구리상'이 중요한 역할을 하는 것을 입증했다.

또한 2가 이온 구리상을 거친 촉매가 그렇지 않은 촉매보다 3배 이상 에틸렌 생성 효율을 나타낸다는 사실도 확인했다. 그동안 구리 촉매의 반응 중 상변화에 관한 논쟁이 오랜 기간 학계에서 지속돼 왔으나, 이번 연구를 통해 논란을 끝내고 새로운 방향성을 제시했다는 데 의미가 있다고 연구팀은 설명했다.

임종우 서울대 교수는 "이번 연구는 구리 촉매 성능을 획기적으로 높였을 뿐 아니라, 구리 기반 촉매의 실시간 변화 메커니즘을 규명해 다른 구리 촉매에도 범용적으로 적용 가능한 새로운 접근법을 제시한 것"이라며 "촉매 시스템 성능을 근본적으로 향상시키기 위해선 단순히 재료의 물리화학적 특성뿐 아니라 자연과학적 메커니즘에 대한 깊은 이해가 필수적이라는 점을 보여줬다"고 말했다.

이 연구결과는 세계적 학술지 '줄(12일자)' 온라인에 실렸다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr